anÁlisis de anomalÍas elÉctricas en instalaciones con

TRABAJO FINAL DE GRADO

Grado en Ingeniería Eléctrica

ANÁLISIS DE ANOMALÍAS ELÉCTRICAS EN INSTALACIONES

CON CARGAS NO LINEALES

Memoria y Anexos

Autor: Albert Fajarí Aspano Director: Juan José Mesas García Co-Director: Luís Sainz Sapera Convocatoria: Octubre del 2017

Análisis de anomalías eléctricas en instalaciones con cargas no lineales

i

Resumen

Este proyecto tiene como objetivo llevar a cabo un estudio y análisis en instalaciones eléctricas donde

haya presencia de cargas no lineales.

En las instalaciones eléctricas actuales cada vez más se hace uso de:

Sistemas inmóticos

Sistemas domóticos

Sistemas de telegestión

Puntos de recarga para vehículos eléctricos

En muchas ocasiones, los dispositivos electrónicos y otros dispositivos que tienen la particularidad de

ser cargas no lineales, son diseñados por ingenieros eléctricos/electrónicos, de telecomunicaciones y

mecánicos. Sin embargo, muy a menudo las instalaciones no son testeadas, pasando por alto el

impacto que provocan las anomalías eléctricas debidas a dichos dispositivos.

A continuación, se muestran algunos ejemplos de anomalías eléctricas que pueden perturbar el

normal funcionamiento de los receptores conectados a las instalaciones eléctricas.

Subtensión

Sobretensión

Ruido eléctrico

Huecos de tensión

Distorsiones armónicas

Microcortes

Desequilibrios de tensión o corriente

Dichas anomalías eléctricas provocan un impacto técnico y económico que interesa evaluar.

Por lo tanto, en este proyecto se estudiará la aparición de anomalías eléctricas en instalaciones

eléctricas debida a la presencia de cargas no lineales, realizando medidas reales y virtuales que

permitan evaluar su impacto.

Memoria

ii

Índice

RESUMEN ___________________________________________________________ I

1. INTRODUCCIÓN _________________________________________________ 5

2. ANOMALÍAS : DEFINICIONES Y CAUSAS ______________________________ 6

2.1. Introducción ............................................................................................................. 6

2.2. Causas de las anomalías eléctricas .......................................................................... 7

2.3. Principales tipos de anomalías eléctricas ................................................................ 7

2.3.1. Impulsos transitorios .............................................................................................. 7

2.3.2. Huecos de tensión ................................................................................................. 10

2.3.3. Microcortes ........................................................................................................... 11

2.3.4. Variaciones lentas de tensión ............................................................................... 11

2.3.5. Desequilibrio de tensión o corriente .................................................................... 14

2.4. Armónicos .............................................................................................................. 16

2.4.1. Orden del armónico .............................................................................................. 17

2.4.2. Espectro armónico ................................................................................................ 19

2.4.3. Tasa de distorsión armónica (THD) ....................................................................... 22

2.4.4. Señales asimétricas ............................................................................................... 24

2.4.5. Carga lineales ........................................................................................................ 27

2.4.6. Cargas no lineales.................................................................................................. 30

2.5. Interferencias electromagnéticas .......................................................................... 32

2.5.1. Introducción .......................................................................................................... 32

2.5.2. Tipos de fuentes EMI ............................................................................................ 33

2.5.3. Tipos de acoplamiento .......................................................................................... 34

2.5.4. Clasificación de las perturbaciones o interferencias ............................................ 37

2.6. Terorema de muetreo de Nyquist Shannon ......................................................... 38

3. ANOMALÍAS : EFECTOS Y SOLUCIONES ______________________________ 40

3.1. Efectos de las perturbaciones no periódicas ........................................................ 40

3.1.1. Impulsos de tensión .............................................................................................. 40

3.1.2. Efectos de las sobretensiones y subtensiones ..................................................... 41

3.1.3. Efectos de los microcortes y huecos de tensión .................................................. 43

3.1.4. Desequilibrio de tensión o corriente .................................................................... 45

3.2. Efectos de los armónicos ....................................................................................... 46

3.2.1. Efectos sobre los motores .................................................................................... 46

3.2.2. Calentamientos: Conductores, hilos de neutro y otros dispositivos ................... 46


iii

3.2.3. Salto de protecciones ........................................................................................... 48

3.2.4. Resonancia ............................................................................................................ 49

3.2.5. Vibraciones y acoplamientos ............................................................................... 49

3.2.6. Deterioro de la forma de onda de tensión. Achatamiento ................................. 49

3.2.7. Tensión entre neutro y tierra distinto de cero..................................................... 50

3.3. Efectos de los armónicos en componentes conectadas a las instalaciones ......... 51

3.3.1. Efectos sobre los condensadores ......................................................................... 51

3.3.2. Cables .................................................................................................................... 51

3.4. Interferencias electromagnéticas .......................................................................... 51

4. CLASIFICACIÓN TECNOLÓGICA DE LAS CARGAS NO LINEALES ____________ 53

4.1. Identificación de las CNLs ...................................................................................... 53

4.2. Aplicaciones ........................................................................................................... 54

4.2.1. Resumen ............................................................................................................... 54

4.2.2. Tablas de aplicaciones con CNLs clasificadas por sectores .................................. 56

4.3. Tecnologías ............................................................................................................. 58

4.3.1. Introducción de CNLs con dispositivos electrónicos ............................................ 58

4.3.2. Rectificador Monofásico con filtro capacitivo ..................................................... 59

4.3.3. Representaciones gráficas de Rectificadores Monofásicos con filtro capacitivo 61

4.3.4. Rectificador Trifásico con filtro capacitivo ........................................................... 64

4.3.5. Representaciones gráficas de Rectificadores Trifásicos con filtro capacitivo ..... 67

4.3.6. Introducción de CNLs con arcos de descarga ...................................................... 70

4.3.7. Representaciones gráficas de CNLs con arcos de descarga ................................. 77

4.4. Análisis técnico de CNLs para su clasificación ....................................................... 79

4.4.1. Procedimiento en la toma de medidas ................................................................ 83

4.4.2. Filtrado de la distorsión armónica ........................................................................ 95

4.4.3. CNLs con dispositivos electrónicos ....................................................................... 99

4.4.4. CNLs con arcos de descarga ............................................................................... 133

5. AUDITORÍA ELÉCTRICA EN UNA INSTALACIÓN CON CARGAS NO LINEALES 141

5.1. Objetivos de la auditoría ...................................................................................... 141

5.2. Calidad de energía eléctrica, normativa .............................................................. 141

5.3. Descripción instalaciones del edifico ................................................................... 143

5.3.1. Edificio de oficinas y servicios de Sistemas IT .................................................... 143

5.3.2. Instalaciones técnicas del edificio ...................................................................... 144

5.3.3. Instalaciones de puesta a tierra ......................................................................... 155

5.3.4. Compensación de Energía Reactiva ................................................................... 157

Memoria

iv

5.4. Intervenciones y mediciones ............................................................................... 159

5.4.1. Cuadro de Fuerza ................................................................................................ 161

5.4.2. Cuadro de alimentación en la cabecera del cuadro de la P -1 ........................... 170

5.4.3. Cuadros Planta 4 y 8............................................................................................ 180

5.4.4. Medida de armónicos en los puestos IT de la P4 ............................................... 184

5.5. Acciones propuestas ............................................................................................ 186

6. PRESUPUESTO ________________________________________________ 190

7. ANÁLISIS DE IMPACTO AMBIENTAL _______________________________ 191

CONCLUSIONES ____________________________________________________ 193

BIBLIOGRAFÍA _____________________________________________________ 195

FIGURAS _________________________________________________________ 196


5

1. Introducción

En este TFG, se pretende elaborar un código Matlab que permita determinar la tasa de distorsión

armónica total en corriente (THDi) y tensión (THDu) de cualquier CNL y por consiguiente, comprobar

si se cumplen los límites admisibles indicados por la normativa legal vigente.

Para obtener el resultado de la tasa de distorsión armónica en corriente y tensión, primeramente

será necesario medir las formas de onda en corriente y tensión en los bornes de entrada de la CNL y

registrar los datos mediante el osciloscopio digital.

El código Matlab, se encarga de realizar un tratamiento con los datos registrados mediante el

osciloscopio digital y, aplica el desarrollo de Fourier para descomponer la componente armónica

fundamental de la señal medida y las componentes armónicas de orden superior en un amplio rango

de frecuencias.

En el capítulo 6, se realiza una Auditoría Eléctrica en el edifico de Simon S.A. que consiste en

inspeccionar la instalación y comprobar la calidad de la energía eléctrica.

Para la elaboración de dicho capítulo, ha sido necesario hacer uso de Analizadores de Redes y de un

Registrador Monofásico de Calidad de la Tensión.

Memoria

6

2. Anomalías: Definiciones y causas

2.1. Introducción

Las anomalías eléctricas son todas aquellas circunstancias que puedan alejar las tensiones y

corrientes de la situación normal en la forma de onda senoidal, magnitud y frecuencia. Las anomalías

eléctricas siempre han existido, aunque en la actualidad tienen mucha más importancia. A

continuación se explican los motivos.

Durante muchos años las únicas cargas que se conectaban a los sistemas de suministro eléctrico de

corriente alterna eran las lámparas de incandescencia y los motores de inducción que accionaban los

sistemas mecánicos sencillos a partir de correas. En aquellas circunstancias los usuarios solo se

preocupaban de la continuidad del suministro eléctrico, es decir, de si la tensión se mantenía dentro

de los márgenes admisibles.

Actualmente hay muchas cargas sensibles a las anomalías eléctricas, especialmente los equipos

electrónicos (informática, TV, variadores de velocidad en los motores, etc.), aunque también afecta a

las lámparas de descarga. Estos equipos pueden averiarse, reinicializare o bloqueo de su

funcionamiento cuando se presenta una anomalía eléctrica, aunque ésta sea de muy corta duración

(microsegundos). Estos efectos a veces no tienen mucha importancia, pero en algunas ocasiones

pueden ocasionar pérdidas económicas muy importantes, como por ejemplo puede ser el caso del

paro en la producción de una cadena de montaje.

Dicho esto, la continuidad del suministro no es muy preocupante, ya que la compañías

suministradoras suelen dar buen servicio en este aspecto, por lo que más preocupa sería la calidad

del suministro eléctrico, es decir, si la tensión y la frecuencia se mantienen dentro de los márgenes

admisibles y si las forma de onda de tensión y corriente son senoidales.


7

2.2. Causas de las anomalías eléctricas

Las causas de las anomalías eléctricas pueden clasificarse en:

Aleatorias: Normalmente causadas por fenómenos atmosféricos (rayos, hielo, etc.),

elementos de la naturaleza (ramas de árboles, pájaros, etc.) o accidentes (excavadores,

trabajos de construcción, caída de torres o palos, etc.).

Propias de la gestión del sistema eléctrico: Principalmente a causa de la conmutación entre

dos líneas.

Atribuirles a la propia instalación del usuario. Son habituales las causadas por secciones de

cables inadecuadas, conexión brusca de cargas demasiado potentes, falta de selectividad en

las protecciones, cortocircuitos y cargas no lineales.

Causadas por las instalaciones de los usuarios vecinos. En general las mismas causas que

pueden afectar a una instalación pueden hacerlo también a las vecinas.

2.3. Principales tipos de anomalías eléctricas

2.3.1. Impulsos transitorios

Un impulso de tensión es una variación brusca del valor instantáneo de la amplitud de la tensión.

Puede llegar a ser varias veces superior al valor nominal de ésta y su duración oscila entre algunos

milisegundos y diez milisegundos, lo que equivale a medio ciclo de la onda senoidal.

Figura 2.1. Hueco de tensión (h) y pico de tensión (p).

Memoria

8

Si el valor de la tensión se eleva instantáneamente, se trata de picos de tensión (en inglés, spike). En

cambio, si el valor de tensión disminuye instantáneamente, se trata de huecos de tensión (notch).

Los picos de tensión son producidos normalmente por rayos y por conmutación de línea mientras

que los huecos suelen estar causados por las conmutaciones de líneas y por los convertidores

estáticos.

Los impulsos de tensión suelen aparecer de forma esporádica, pero es posible también que se

repitan a lo largo del tiempo. Pueden manifestarse en cualquier punto de la red. A partir de éste,

tienden a desplazarse a lo largo de la misma con la velocidad de propagación de una onda en un

medio conductor. Por ello, en la práctica, suele considerare que aparecen en todos los puntos de

dicha red en el mismo instante en el que es generado, aunque con parámetros distintos,

especialmente en lo que se refiere al valor de pico y, por lo tanto, a su energía asociada que

disminuye cuanto más se aleja del punto de generación.

Figura 2.2. Desplazamiento del pico de tensión a lo largo de la red.

En la figura 1.2, se muestra como ejemplo ilustrativo lo argumentado en el párrafo anterior. En el

círculo de la izquierda, se observa el pico de tensión originado en un punto de la red, mientras que en

el círculo de la derecha se muestra el aminoramiento del pico de tensión al situarse a 25 metros de

distancia respecto el origen.


9

En función de su origen, se pueden distinguir dos tipos de causas o fuentes generadoras de impulsos

de tensión:

Fuentes de generación de impulsos exteriores al sistema eléctrico.

Fuentes de generación de impulsos interiores al sistema eléctrico.

Fuentes de generación de impulsos exteriores al sistema eléctrico

La fuente principal es la descarga atmosférica o rayo. Puede provocar impulsos, básicamente:

Por el impacto directo del rayo en la red eléctrica.

Por la inducción producida por la descarga a tierra de un rayo en las proximidades de la red

eléctrica.

Los impulsos de mayor magnitud suelen ser por el impacto directo del rayo en la red eléctrica.

La probabilidad y frecuencia de aparición de estos impulsos depende de las características

geográficas de cada zona, definidas por los niveles isoceráunicos que determinan la frecuencia de las

descargas atmosféricas.

Fuentes de generación de impulsos interiores del sistema eléctrico

Existen elementos en la red eléctrica y en los receptores conectados a ella que pueden generar

impulsos de tensión. Las fuentes más habituales son:

Actuación de un elemento de corte (operación de conexión desconexión). El impulso de

tensión se produce como consecuencia de un cambio brusco de la intensidad que circula por

la red derivado de la conexión o desconexión de cargas. En los casos de desconexión, se

pueden generar impulsos de forma compleja cuando en el elemento de corte se producen

“reigniciones” en la extinción del arco eléctrico. Por ejemplo, se producen impulsos en la:

- Conexión (“energización”) y desconexión de líneas eléctricas mediante seccionadores o

interruptores. El impulso es atribuible a la existencia de las inductancias equivalentes de las

líneas eléctricas.

- Conexión y desconexión de transformadores. El impulso de tensión se produce como

resultado de la existencia de un núcleo magnético

- Conexión de las baterías de condensadores. Se utilizan habitualmente para regular la

tensión en las redes eléctricas, corregir el factor de potencia, etc. Su “energización” ocasiona

Memoria

10

impulsos de tensión a consecuencia de las características transitorias de la carga de un

condensador.

- Conexión y desconexión de cargas. Ciertos receptores, tales como motores, lámparas de

descarga, etc, pueden generar impulsos de tensión a causa de sus características técnicas.

- Fusión de fusibles. Los fusibles de limitación de corriente generan impulsos de tensión al

actuar, debido a la inductancia equivalente de la red que protegen.

2.3.2. Huecos de tensión

Figura 2.3. Hueco de tensión.

Se dice que ha tenido lugar un hueco de tensión en un punto de la red eléctrica cuando la tensión de

una o más fases cae repentinamente por debajo de un límite establecido, generalmente el 90% y se

recupera al cabo de un tiempo determinado que oscila entre los 10 milisegundos y varios segundos.

Valores de referencia

Las dos magnitudes que permiten clasificarlos, y que son de gran utilidad a la hora de estimar sus

posibles repercusiones y las medidas preventivas que se pueden aplicar, son:

Profundidad: Valor al que cae la tensión. En función de esta magnitud se suelen hacer tres

grupos:

- Entre 10% y 30%.

- Entre 30% y 80%.

- Superior al 80%

Duración: Tiempo que tarda en recuperarse la tensión. Se suele dividir en dos grupos:

- Entre 0,01 segundos y 1 segundo.

- Entre 1 segundo y varios segundos.


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2.3.3. Microcortes

Los microcortes (dropout) son pérdidas totales de la tensión (apagones) de alimentación durante

períodos de tiempo cortos (de un milisegundo a centenares de milisegundos). La causa más habitual

es la actuación de los interruptores de protección que se abren para eliminar un cortocircuito y

vuelven a reconectarse.

2.3.4. Variaciones lentas de tensión

Definición de variación de tensión

Se produce una variación de tensión cuando hay una alteración en la amplitud y, por lo tanto, en el

valor eficaz de la onda de tensión. Una variación de tensión tiene:

Un valor de partida.

Un valor final.

Una duración, es decir, el tiempo que emplea en pasar del valor inicial al valor final (véase en

la figura 2.4).

Figura 2.4. Esquema de una variación de tensión.

Memoria

12

En otras palabras, amplitud y duración son los parámetros característicos de una variación de

tensión. Pues bien, se considera una variación lenta de tensión a aquella cuya duración es superior a

10 segundos.

Cabe distinguir aquí entre las variaciones lentas y fluctuaciones, ya que en ambos se producen

variaciones en la amplitud de la tensión, pero se contemplan distintas duraciones. Cuando se

producen fluctuaciones, la duración va desde varios milisegundos hasta los 10 segundos.


En una red eléctrica ideal, la tensión de suministro debería tener un valor concreto y constante igual

al de la tensión nominal. Sin embargo, en la práctica, no hay redes ideales, por lo que la tensión de

servicio puede presentar valores diferentes en un periodo de tiempo determinado, si bien cabe

esperar que éstos se encuentren casi siempre dentro de unos márgenes razonables de variación

respecto de la tensión nominal.

Tabla 2.1. Márgenes admisibles en el valor de la tensión eficaz, según lo establecido por el Reglamento de

Verificaciones eléctricas y Regularidad en el Suministro de Energía.

Márgenes admisibles en el valor de Uef

Un [V] Uef>1,07·Un [V] Uef<0,93·Un [V]

230 Uef>246,1 Sobretensión Uef<213,9 Subtensión

Por lo que se refiere a la normativa legal vigente, el Reglamento de Verificaciones Eléctricas y

Regularidad en el Suministro de Energía establece un margen admisible del ±7% respecto de la

tensión nominal.

En cuanto a la normativa técnica, se recomienda que la tensión en los terminales de suministro no

difiera de la nominal en más de un 10% para los sistemas trifásicos.

Desde el punto de vista técnico, un receptor que cumpla las normas CEI 38, CENELEC HD 471 S1 y

UNE 21-127 debe funcionar correctamente dentro de los márgenes indicados.

Causas que las originan

Para analizar las causas que originan las variaciones lentas de tensión, es útil determinar los factores

de los cuales depende el valor de la tensión de una red.


13

Figura 2.5. Esquema de un sistema de distribución.

Desde el punto de vista de la conexión de un receptor, el sistema de distribución de energía eléctrica

puede quedar representado mediante el esquema de la figura 2.5.

En este circuito, la tensión en los terminales del receptor responderá a la siguiente expresión:

f

n

ii U

Z

ZU

(2.1)

th

thr

r UZZ

ZU

(2.2)

Donde:

Zr es el valor de la impedancia del receptor.

Zth es la impedancia en serie de la red.

Uth es la tensión del generador.

Como se puede comprobar en las expresiones anteriores, para obtener la tensión en los terminales

del receptor se hace uso de la fórmula típica de un divisor de tensión.

De todos los factores que influyen en las variaciones de tensión, el más importante es la impedancia

del receptor, que depende a su vez de la carga conectada. Esta impedancia puede variar por diversas

razones, entre las cuales cabe destacar las siguientes:

Memoria

14

El consumo de energía no se realiza de forma constante. A lo largo del día, hay períodos de

consumo intenso, a los que se denomina “horas punta”, y períodos de bajo consumo, a los

que se llaman “horas valle”.

Los receptores no son iguales y sus diferencias condicionan así mismo las características del

consumo. Así, no es lo mismo que el consumo se concentre en una zona con una importante

componente industrial, a que lo haga en una mayoritariamente residencial.

La variación del consumo en un tiempo determinado recibe el nombre de curva de carga. Las

variaciones de tensión se encuentran estrechamente ligadas a ella, de forma que es de esperar que la

tensión de la red sea mayor en los momentos de bajo consumo, que en los de alto.

2.3.5. Desequilibrio de tensión o corriente

Los desequilibrios de tensión se producen cuando en un sistema trifásico existen diferencias entre los

valores eficaces de las tensiones en un sistema con neutro distribuido o no distribuido.

TSR III

0NI

Los desequilibrios de corriente se producen cuando la intensidad que circula por las tres fases no es

igual, esto provoca que por el neutro la corriente no sea cero. El resultado es un sobrecalentamiento

en las cargas, en los cables de alimentación y protecciones.

Por otro lado, cuando existe desequilibrio de tensión o corriente, los módulos de los tres vectores

representativos de dichos parámetros o los ángulos de fase relativos existentes entre ellos no son

iguales.


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Figura 2.6. Sistema trifásico equilibrado.

El sistema sinusoidal trifásico suele estar representado mediante tres vectores cuyos módulos son

iguales y desfasados 120° entre sí.

Los desequilibrios de corriente y/o tensión se originan por un incorrecto reparto de cargas en la

instalación. En instalaciones con armónicos, a pesar de que el sistema trifásico esté equilibrado,

puede circular corriente por el hilo de neutro.

Cálculo

La expresión matemática para el cálculo del desequilibrio de corriente es el siguiente:

%10%100_

),,max(

media

mediaTSR

I

IIcorrienterioDesequilib

(2.3)

Imax(R,S,T) es la corriente máxima de las tres fases. El desequilibrio en corriente no debe superar el 10%.

%3,2%100_

),,max(

media

mediaTSR

V

VVtensiónrioDesequilib

(2.4)

La expresión matemática para el cálculo de los desequilibrios de tensión es igual que para los

desequilibrios de corriente, siendo valores admisibles de referencia aquellos que no superen el 2% o

el 3%.

Memoria

16

2.4. Armónicos

Figura 2.7. Armónicos: deformación de la forma de onda respecto a una senoidal pura.

Una perturbación armónica es una deformación de la forma de onda respecto de la senoidal pura

teórica (véase en la figura 2.7).

Las perturbaciones de la forma de onda se deben fundamentalmente a la conexión de equipos cuya

característica tensión - corriente no es lineal. Son originados por variadores de velocidad, balastos

electrónicos, equipos informáticos y en general por cualquier tipo de carga con componentes activos,

tales como diodos, transistores, tiristores, etc.

Según la norma UNE EN 50160:1996, una tensión armónica es una tensión senoidal cuya frecuencia

es múltiplo entero de la frecuencia fundamental de la tensión de alimentación.

Figura 2.8. Señal 1: Señal tipo que circula por las instalaciones eléctricas. Señal 2 y 3: Descomposición

matemática de la señal 1 mediante análisis de Fourier.

La forma de onda de tensión o de corriente en un punto dado de una instalación eléctrica puede

tener el aspecto de la señal 1 que aparece en la figura 2.8. Si se observan las señales que aparecen en

esta figura, se ve como la señal 1 es la resultante de la suma punto a punto de las señales 2 y 3.

Además, la frecuencia de la señal 3 es múltiplo entero de la frecuencia de la señal 2. Esto es, la

frecuencia de la señal 3 es 5 veces mayor (5 períodos contenidos en un periodo) que la frecuencia de

la señal 2.


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Figura 2.9. Onda distorsionada resultante al realizar la suma de señales senoidales cuya frecuencia es múltiplo

entero de la fundamental.

El matemático francés Joseph Fourier, demostró una expresión matemática capaz de descomponer

cualquier señal periódica, al realizar la suma de señales senoidales cuya frecuencia es múltiplo entero

de la fundamental.

11312110

1

··2·...·3·2··2·2··2·)( fnsenAfsenAfsenAfsenAAts n

n

(2.5)

Donde f1 es la frecuencia de la componente fundamental y A0, A1 y A2… son las amplitudes de las

distintas senoides.

Por tanto, se pueden definir los armónicos como oscilaciones senoidales cuyas frecuencias son

múltiplos enteros de la fundamental. Los armónicos son componentes de frecuencia superior a la

frecuencia fundamental, siendo en España de 50 Hz. Cuando en una instalación hay armónicos,

significa que aunque la señal sea de 50Hz, ésta contiene componentes de alta frecuencia.

2.4.1. Orden del armónico

Tabla 2.2. Clasificación de los armónicos.

Clasificación de los armónicos

Orden 1 2 3 4 5 6 7 8 9 … n

Frec. 50 100 150 200 250 300 350 400 450 … n*50

Sec. + - 0 + - 0 + - 0 … …

Los armónicos se clasifican por su orden, frecuencia y secuencia (véase en la tabla 2.2).

Se dice que una señal periódica contiene armónicos cuando la forma de onda de esa señal no es

senoidal o, lo que es lo mismo, cuando se encuentra deformada respecto a lo que sería una

señal senoidal.

Memoria

18

El orden del armónico es el número de veces que la frecuencia de ese armónico es mayor que la de la

componente fundamental. Por ejemplo, el armónico de orden 7 es aquel cuya frecuencia es 7 veces

superior a la de la componente fundamental, o lo que es lo mismo, si la fundamental es de 50 Hz el

armónico de orden 7 tendría una frecuencia de 350 Hz. En una situación ideal donde solo existiera

señal de frecuencia 50 Hz, solo existiría el armónico de orden 1 o armónico fundamental.

Se observa en la tabla 2.2 que hay dos tipos de armónicos, los impares y los pares. Los armónicos

impares son los que se encuentran en las instalaciones eléctricas residenciales, industriales y

comerciales. Los armónicos de orden par sólo existen cuando hay asimetría en la señal debida a la

componente continua.

La secuencia puede ser positiva (+), negativa (-) o neutra (0).

Tabla 2.3. Consecuencias en función de la secuencia del armónico.

Consecuencias en un motor asíncrono de 4 hilos

Secuencia positiva

Tienden a hacer girar al motor en el mismo sentido que la componente fundamental. Como consecuencia provocan una sobrecorriente en el motor que hace que se caliente

y por lo tanto reduce su vida útil de funcionamiento y puede poner en peligro el aislamiento de los devanados del motor con el consiguiente riesgo de avería. Provocan

en general calentamiento en cables, motores, transformadores, etc

Secuencia negativa

Hacen girar el motor en sentido contrario al de la componente fundamental, y por lo tanto frenan el motor y por ello también provocan calentamientos.

Secuencia neutra

A los armónicos de secuencia neutra, también se les conoce como homopolares y no tienen efectos sobre el giro del motor, pero se suman en el hilo de neutro. Esto supone

que por el hilo de neutro, puede circular 3 veces más corriente por efecto del tercer harmónico que por cualquiera de los conductores de fase. Provocan calentamientos de

los conductores, deterioro de la maquinaria y destrucción de las baterías de condensadores.

En la tabla 2.3, se explican los efectos negativos de cada secuencia, utilizando como ejemplo un

motor asíncrono de 4 hilos.


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2.4.2. Espectro armónico

El espectro armónico permite descomponer una señal en sus armónicos y representarlo mediante un

gráfico de barras, donde cada barra representa un armónico, con una frecuencia, un valor eficaz,

magnitud y ángulo de fase.

Figura 2.10. Espectro armónico, también llamado diagrama de barras.

En la figura 2.10, se muestra el espectro armónico de una CNL, donde cada barra representa un

armónico, y para cada armónico se proporciona en la parte superior derecha, su orden, su frecuencia,

el valor eficaz en corriente de ésta componente, la tasa de distorsión armónica individual en

corriente y el ángulo de fase.

El espectro armónico de una señal deformada llega hasta el infinito, sin embargo por convenio se

limitan el número de armónicos que se analizan, ya que por encima del orden 40 es extraño que se

tengan armónicos de un valor significativo que pueda perturbar el funcionamiento de los equipos y

elementos conectados a la instalación eléctrica.

Memoria

20

Figura 2.11. Forma de onda de corriente de una luminaria incandescente y su espectro armónico.


21

Figura 2.12. Forma de onda de corriente del Huawei P9 Lite y su espectro armónico.

En las figuras 2.11 y 2.12, se muestran las formas de onda de corriente y tensión superpuestas y su

correspondiente espectro armónico. La forma de onda de corriente de la figura 2.11, corresponde a

una señal prácticamente senoidal, es decir, sin armónicos. Su espectro armónico confirma este

hecho, ya que los resultados del valor eficaz total y fundamental de la corriente (ver en la parte

superior de la figura 2.11) son casi idénticos. La forma de onda de la figura 2.12, corresponde a una

señal de corriente deformada. Su espectro está formado por armónicos de orden ≥ 1, siendo todos

impares al ser una señal simétrica.

Memoria

22

2.4.3. Tasa de distorsión armónica (THD)

El THD (Total Harmonic Distorsion), o tasa total de distorsión armónica, se definió como consecuencia

de la necesidad de poder cuantificar numéricamente los armónicos existentes en un determinado

punto de medida.

La expresión siguiente se utiliza para calcular el THD.

1001

2

2

h

h

THDk

k

f

(2.6)

donde hk representa el valor eficaz del conjunto de las componentes armónicas.

El THDf representa la distorsión armónica total respecto a la componente fundamental, o lo que es lo

mismo, la señal que se debería de tener si no hubieran armónicos.

En Europa se utiliza el THDf, lo que significa que cuando una instalación eléctrica se ve afectada por

numerosos armónicos es posible que la THDf sea superior al 100%, lo que indicaría que en esa

instalación o punto de medida hay más armónicos que componente fundamental. Un claro ejemplo,

sería el resultado de THDi obtenido en el Huawei P9 Lite (véase en la figura 2.12), siendo del 185,7% y

con un valor eficaz total de la corriente superior a la de la componente fundamental.

De esta expresión se deduce también que cuando no hay armónicos el THD es igual a cero.

Tabla 2.4. Límites admisibles recomendados por los fabricantes en el THDi.

Recomendación fabricantes

THDi (%) < 10 10 - 40 > 40

Equipo No contaminante Contaminante Muy

contaminante

Por tanto, se debe tratar que el THD sea lo más bajo posible. Una práctica habitual es tratar que el

THD de corriente en una instalación sea inferior al 10-15% (ver tabla 2.4).

Tabla 2.5. Límites admisibles recomendados por los fabricantes en el THDu.

Recomendación fabricantes

THDu (%) < 5 5 - 8 > 8

Red No contaminada Contaminada Muy contaminada


23

Al mismo tiempo existe un THD referido a la tensión y uno referido a la corriente, de tal manera que

se puede conocer la distorsión armónica total de la tensión y la corriente, esto es, THDi y THDv. El

THDi es generado por la carga, mientras que el THDv se genera por efecto de una corriente muy

distorsionada. Esto significa que cuantas más cargas distorsionantes se tenga en una instalación,

aumenta la posibilidad de que se produzca una distorsión armónica de la tensión. En la tabla 2.5, se

muestran los límites de THDv recomendados por los fabricantes.

Para medir la presencia de un armónico, tanto de tensión como de corriente, se define la tasa

distorsión armónica individual (HD, Harmonic Distortion) como el cociente entre el valor eficaz de la

componente armónica y el valor eficaz de la componente fundamental (véase en las expresiones

matemáticas 2.7 y 2.8).

1001U

UHD k

uk (2.7)

1001I

IHD k

ik (2.8)

Memoria

24

2.4.4. Señales asimétricas

Forma de onda de corriente asimétrica

Figura 2.13. Forma de onda en corriente obtenida al medir en el lado AC de la fuente de alimentación del HUB IO

(toma de corriente con tecnología Z-Wave), mediante el osciloscopio digital Tektronix.

En la figura 2.13, se observa la típica forma de onda en corriente de un Rectificador de media onda. Cuando

solamente hay circulación de corriente en uno de los dos semiperiodos, la forma de onda de la señal es

asimétrica. Este tipo de CNLS, son las causantes de que circulen corrientes armónicas de orden par.


25

Distorsiones armónicas individuales de orden par

Figura 2.14. Espectro armónico del HUB IO: En el gráfico superior se muestran las distorsiones armónicas

individuales de la corriente filtrada en función del orden del armónico. En el gráfico inferior se muestran los

ángulos de fase de las componentes armónicas de la corriente filtrada.

En el gráfico superior de la figura 2.14, se muestran las distorsiones armónicas individuales de la

corriente. Véase que hay circulación de armónicos de orden par en la onda de corriente. El armónico

de orden par más significativo o, dicho de otra forma, el de mayor magnitud es el cuarto armónico.

Dicho armónico tiene una tasa aproximada del 67%.

Por otra parte, en el resto de CNLs que han sido tratados para su estudio y análisis, se han registrado

disminuciones en las tasas de distorsión armónica individual de corriente a medida que el rango del

armónico aumenta. En este caso no ocurre así, dado que se producen oscilaciones en las barras que

representan las distorsiones armónicas individuales de corriente a medida que el rango armónico

aumenta.

Memoria

26

Filtrado de las componentes armónicas de orden par

Formas de onda en corriente y tensión

Figura 2.15. Formas de onda en tensión y corriente superpuestas con filtrado de componentes armónicas de

orden par y de orden superior a 39.

En la figura 2.15, se demuestra que la simetría de onda en corriente depende de la ausencia de

componentes armónicas de orden par. Por tanto, en este caso se filtran las componentes armónicas

de orden par y las de orden superior a 39.

La forma de onda en corriente medida es la graficada en color azul con trazo grueso, mientras que la

forma de onda en corriente filtrada es la graficada en color rojo con trazo fino (queda superpuesta a

la anterior con grosor y color distintos para poder distinguirla más fácilmente).


27

Distorsiones armónicas individuales en corriente

Figura 2.16. Espectro armónico del HUB IO: En el gráfico superior se muestran las distorsiones armónicas

individuales de la corriente al filtrar las componentes armónicas de orden par. En el gráfico inferior se muestran

los ángulos de fase de las componentes armónicas de la corriente filtrada.

En la figura 2.16, se muestran las distorsiones armónicas individuales de corriente, filtrando las

componentes armónicas de orden par y de orden superior a 39.

2.4.5. Cargas lineales

Una carga se denomina “lineal” cuando la corriente que circula tiene la misma forma de onda que la

de la tensión de alimentación. Esta corriente no tiene componentes armónicos.

Figura 2.17. Carga lineal. Esquema eléctrico equivalente de un circuito donde todas sus componentes son RLC.

Memoria

28

Las cargas lineales están compuestas por componentes pasivos, o lo que es lo mismo por cargas

Resistivas, Inductivas y Capacitivas. Este tipo de cargas RLC se caracterizan por no deformar la señal,

esto es, si la tensión en bornes de estas cargas es senoidal, la corriente que fluye por estas cargas

también tendrá la misma forma de onda, aunque desfasada con respecto a la tensión en una

cantidad que depende de la proporción entre cargas resistivas, inductivas y capacitivas.

Ejemplos

Motores sin convertidores de frecuencia y elementos de iluminación resistivos sin balastos son

ejemplo de cargas lineales.

Figura 2.18. Forma de onda de corriente y tensión de una carga resistiva pura.

La impedancia (Z) de un resistor o de un circuito resistivo se representa por un número complejo con

la impedancia resistiva pura (R) en su parte real y sin parte imaginaria.

La impedancia en forma binómica se expresa de la siguiente forma:

RZ (2.9)

En forma polar se expresa como:

0RZ (2.10)


29

La impedancia resistiva (R) es la oposición que presentan los resistores al paso de la corriente alterna.

La impedancia resistiva pura es igual al valor óhmico del resistor.

RZ (2.11)

Figura 2.19. Forma de onda de corriente y tensión de una carga inductiva pura.

La impedancia (Z) de un inductor o circuito inductivo puro se representa por un número complejo

con la reactancia inductiva (XL) en su parte imaginaria y sin parte real.


LjXZ (2.12)


90LXZ (2.13)

La reactancia inductiva (XL) es la resistencia que presentan los inductores puros al paso de la corriente

alterna. La reactancia inductiva es proporcional al coeficiente de autoinducción (L) y de la velocidad

angular (ω).

LfLXL ···2· (2.14)

Memoria

30

Figura 2.20. Forma de onda de corriente y tensión de una carga capacitiva pura.

La impedancia (Z) de un capacitor o de un circuito capacitivo puro se representa por un número

complejo con la reactancia capacitiva (XC) en su parte imaginaria y sin parte real.


CjXZ (2.15)


90CXZ (2.16)

La reactancia capacitiva (XC) es la resistencia que ofrece un capacitor al paso de la corriente alterna.

La reactancia capavitiva es inversamente proporcional de la capacidad (C) y de la velocidad angular

(ω).

CfCXC

···2

1

·

1

(2.17)

2.4.6. Cargas no lineales

Cargas deformantes o cargas no lineales, son aquellas cuya forma de onda de corriente no se

corresponde con la de la señal de la tensión de alimentación con la que se alimentan. Esta corriente

es rica en componentes armónicos donde su espectro será función de la naturaleza de la carga.


31

Figura 2.21. Carga no lineal. Esquema eléctrico equivalente de un circuito donde todas sus componentes son RLC

y diodos, IGBTs…

Las cargas no lineales están compuestas por componentes pasivos y componentes activos, o lo que

es lo mismo, por cargas con electrónica: diodos, transistores, tiristores, además de capacitores,

inductores, y resistores.

A diferencia de las anteriores, las cargas no lineales se caracterizan por producir una deformación de

la onda de corriente, hasta el punto de no tener nada que ver con la señal de tensión de la fuente de

alimentación.

Además, puede suceder también que la tensión y la corriente puedan estar desfasadas.

Figura 2.22. Forma de onda de corriente pulsante.

Las CNLs se caracterizan por consumir corriente a impulsos. Cuando la forma de onda de corriente

alcanza su valor máximo o su valor mínimo es cuando la CNL conduce, provocando la típica señal

pulsante (véase en la figura 2.22).

Memoria

32

Estas señales circulan por cables, embarrados, capacitores de corrección del factor de potencia,

diferenciales y magnetotérmicos, los cuales se diseñaron y dimensionaron para unas corrientes

eficaces procedentes de señales senoidales.

Debido a que el uso de las CNLs aumenta con el paso de los años y que la deformación de la onda de

corriente va relacionada con la potencia electrónica existente, se debe de aprender a tratar los

armónicos para aminorar sus efectos al diseñar nuevas instalaciones o al realizar una ampliación en

una instalación ya existente y en su caso, tomar medidas correctoras en las instalaciones con

presencia de armónicos.

Ejemplos

Balastos electrónicos y electromagnéticos, monitores de video, tratamiento informático, variadores

de velocidad, convertidores AC/DC, etc.

2.5. Interferencias electromagnéticas

2.5.1. Introducción

Las interferencias electromagnéticas se pueden definir como señales del tipo electromagnético que

perturban no intencionadamente el normal funcionamiento de un sistema eléctrico o electrónico,

afectando a las magnitudes eléctricas o magnéticas (tensión, corriente o campo electromagnético) de

sus circuitos, aunque en algunas ocasiones no llegan a apreciarse sus efectos.

Cuando las interferencias electromagnéticas perturban el funcionamiento de cualquier equipo

electrónico, incapacitándolo para la misión para la que fue diseñado, con riesgo para la seguridad de

instalaciones y personas en caso de fallos, plantea un grave problema, tanto técnico como comercial.

Problema técnico

Una vez completado el diseño del equipo, se hace muy difícil su protección contra las interferencias.


33

Problema comercial

Se incrementan los costes debido a las protecciones a añadir. Además crea una mala imagen, tanto

de producto como de empresa, por culpa de los fallos y la consiguiente falta de fiabilidad.

Cumplimiento de la normativa

Existen normas que establecen los límites máximos de interferencias radiadas y conducidas para

asegurar que los equipos pueden ser compatibles con otros equipos sensibles, con las

comunicaciones, etc. Ciertos reglamentos obligan en algunos países a cumplir esas normas a los

fabricantes de los equipos electrónicos, con lo cual son necesarias mediciones para poder certificar

que tales equipos cumplen con dichas normas.

El estudio de todos los fenómenos de generación, propagación y captación de interferencias

electromagnéticas que puedan perturbar a un equipo se engloba bajo el nombre de compatibilidad

electromagnética.

Definición Compatibilidad Electromagnética (EMC)

Según IEC 61000-1-1, se define como la capacidad de cualquier dispositivo, equipo o sistema para

funcionar de forma satisfactoria en su entorno electromagnético y sin provocar ningún acoplamiento

electromagnético sobre cualquier receptor eléctrico.

Espectro de frecuencias afectado en las Interferencias Electromagnéticas (EMI)

Los problemas debidos a las interferencias pueden ocurrir entre sistemas independientes dentro de

un amplio espectro de frecuencias (50 Hz a GHz), tales como emisores de radio/TV, radares, aviones,

barcos, líneas de distribución de energía eléctrica, etc.

También puede haber problemas de EMI en un mismo sistema.

2.5.2. Tipos de fuentes de EMI

Naturales

Tormentas eléctricas, por ejemplo.

Memoria

34

Figura 2.23. Tormenta eléctrica.

Artificiales

o Intencionadas: emisoras de radio, redes de comunicación (bluetooth, wifi,…), etc.

o No intencionadas: arranque intempestivo en motores, líneas de alta tensión, etc.

Figura 2.24. Líneas de alta tensión.

2.5.3. Tipos de acoplamiento

Acoplamiento = Perturbación = Interferencia

Tipos de acoplamiento atendiendo al camino de transmisión de la interferencia:

o Conducido: La interferencia va de la fuente de EMI al receptor a través de un camino

eléctrico (fuente y receptor están eléctricamente conectados).


35

Figura 2.25. Transmisión de la interferencia a través de un conducto eléctrico.

En la figura 2.25, se visualiza un ejemplo de interferencia electromagnética originada por una

herramienta neumática (Dremel) y que se transfiere por el conducto eléctrico, afectando al resto de

receptores conectados en el mismo circuito eléctrico (en este ejemplo, afecta al televisor).

Estas EMI, son provocadas por variaciones de tensión, armónicos, etc. procedentes de cargas con

elevada potencia (motores eléctricos,…).

o Radiado: La interferencia va de la fuente EMI al receptor a través de un camino no

eléctrico (aire).

Figura 2.26. Transmisión de la interferencia a través de un camino no eléctrico.

En la figura 2.26, se visualiza un ejemplo de acoplamiento radiado originado por las radiaciones

electromagnéticas del teléfono móvil, pudiendo perturbar la señal de los receptores conectados a la

red.

Puede ser provocado por transmisores de radio, redes inalámbricas, etc.

o Mixto: Conducido + Radiado.

Memoria

36

Figura 2.27. Transmisión de la interferencia mixta (radiada + conducida).

Tipos de acoplamiento atendiendo a dónde se originan los problemas de EMC:

o Intrasistema: El acoplamiento se produce entre partes de un mismo equipo (por

ejemplo: Subsistema de potencia - Subsistema digital).

o Intersistema: El acoplamiento se presenta entre dos equipos que pertenecen a un

mismo sistema (por ejemplo: monitor - CPU).

Figura 2.28. Acoplamiento entre dos equipos de un mismo sistema (monitor - CPU).

o Entre dos equipos: La interferencia se da entre dos equipos totalmente

independientes (por ejemplo: taladro neumático - televisión).

Figura 2.29. Acoplamiento entre dos equipos independientes (Dremel - TV).


37

2.5.4. Clasificación de las perturbaciones o interferencias

Los tipos de perturbaciones o interferencias, métodos de medida y límites tolerados por la Normativa

internacional, se establecen en función de la banda de frecuencias de interferencia, ya que en gran medida, la

facilidad de propagación depende de dicho parámetro. Atendiendo a dichas Normas y según la frecuencia, las

perturbaciones se pueden clasificar en los siguientes grupos:

Tabla 2.6. Clasificación de las perturbaciones o interferencias en función de la frecuencia de señal.

Perturbaciones

de baja

frecuencia f < 10

kHz

Grupo A: Dentro de este grupo se encuentran la mayor parte de las perturbaciones

transmitidas por la red y las fuentes de alimentación lineales, cuya propagación tiene lugar

básicamente por conducción.

Perturbaciones

en la banda de

10 kHz a 150

kHz

Grupo B: En esta banda se producen EMI debidas principalmente a impulsos de intensidad

y fenómenos transitorios de tensión producidos por la conmutación de relés, interruptores

u otros dispositivos electromecánicos, así como convertidores estáticos (equipos de

tiristores, fuentes de alimentación conmutadas), cuya propagación se produce por

conducción.

Perturbaciones

en la banda de

150 kHz a 30

MHz

Grupo C: El origen de las perturbaciones suele ser el mismo que se ha mencionado en el

grupo B, pero en este caso la propagación es por radiación.

Perturbaciones

en la banda de

30 MHz a 300

MHz

Grupo D: El medio de propagación de este tipo de EMI es básicamente por radiación.

Perturbaciones

en la banda de

500 MHz a 18

GHz

Grupo E: El origen de estas perturbaciones suelen ser los equipos de comunicaciones o los

propios circuitos lógicos de conmutación muy rápida, cuyo medio de propagación es por

radiación.

En la banda de frecuencias que va de 300 MHz a 500 MHz, no se producen interferencias

electromagnéticas. Por este motivo, no se refleja dicha banda en la tabla 2.6.

Memoria

38

2.6. Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon

Esta teoría ha sido desarrollada por Harry Nyquist y afirmó que una señal analógica podía ser

reconstruida sin error de muestras tomadas en iguales intervalos de tiempo.

Figura 2.30. Señal analógica reconstruida al tomar muestras en iguales intervalos de tiempo.

La teoría de muestreo define que para una señal de ancho de banda limitado, la frecuencia de

muestreo Fm debe de ser mayor que dos veces su ancho de banda (B) medida en Hertz (Hz).

La expresión que define dicho teorema se refleja en la ecuación 2.18.

mFB 2 (2.18)

Donde:

Fm es la frecuencia de muestreo.

B es el ancho de banda.

En las medidas realizadas con el osciloscopio digital, se escogió un período de muestreo de 4e-6

s/muestra. Es decir, la frecuencia de muestreo es de 250.000 muestras/s (ver cálculo en la expresión

2.19).

HzFm 000.25010·4

16

(2.19)

El teorema de Nyquist-Shannon asegura que la frecuencia más alta de una señal analógica que puede

reconstruirse sin ambigüedad cuando dicha señal se muestrea a 250.000 muestras/s es de 125 KHz

(ver expresión 2.20)

50·250010·1252

10·250 33

(2.20)

donde k=2500.


39

Por este motivo, la descomposición de Fourier de la señal que efectúa Matlab mediante la rutina fft

devuelve la componente fundamental de dicha señal y las componentes armónicas hasta el orden

k=2500 (125 KHz).

Memoria

40

3. Anomalías: efectos y soluciones

3.1. Efectos de las perturbaciones no periódicas

3.1.1. Impulsos de tensión

Los efectos de este tipo de perturbaciones sobre los receptores pueden ser clasificados en función

del riesgo de que éstos sufran averías o anomalías de funcionamiento.

Receptores con riesgo de avería

Básicamente, son los equipos que incorporan semiconductores de potencia, por ejemplo:

- Rectificadores con diodos.

- Controladores de velocidad de motores mediante tiristores.

- Controladores de velocidad mediante Triacs.

- Controladores de velocidad mediante GTO’s2.

Estos receptores pueden sufrir daños por impulsos de tensión del orden de nanosegundos. La

probabilidad de que se produzcan averías depende de diversos factores, entre ellos:

- Amplitud del impulso.

- Duración del impulso.

- Polaridad.

- Características de la red a la que están conectados.

Receptores con riesgo de anomalías de funcionamiento

Son, fundamentalmente, receptores con circuitos electrónicos para señales de baja potencia. En

general, no están conectados directamente a la red de baja tensión, sino que se acoplan mediante

una conversión AC/DC. Esta puede llegar a transmitir impulsos de tensión que llegan a través de la

red y afectar a los circuitos electrónicos, alterando su funcionamiento.

Algunos de los receptores más sensibles son los siguientes:


41

- Sistemas digitales en general. Estos receptores (ordenadores, sistemas controlados por

microprocesadores, etc.) pueden sufrir alteraciones en los programas, almacenamiento

incorrecto de datos en la memoria, etc.

- Sistemas de control. Cuando están construidos con microprocesadores, se pueden producir

rupturas en la función de control.

- Instrumentación. Es posible la generación de indicaciones incorrectas.

- Alarmas y sistemas de disparo. Pueden actuar de manera no deseada.

- Equipos de control de velocidad de motores. Cuando el control se realiza mediante

semiconductores de potencia, la velocidad puede verse alterada de forma involuntaria.

3.1.2. Efectos de las sobretensiones y subtensiones

Figura 3.1. Estados de funcionamiento de un receptor.

Para estudiar los efectos de las sobretensiones y subtensiones sobre los receptores, conviene tener

en cuenta los diferentes estados de funcionamiento: normal, anómalo, no funcionamiento y avería.

Los tres primeros estados pueden evolucionar entre sí, mientras que el último, el de avería es fijo y

no permite el paso a ninguno de los demás de manera normal. Los receptores pueden estar dotados

de protecciones que eviten el paso al estado de avería.

Memoria

42

Subtensión

La mayor parte de los receptores pasan de un estado de funcionamiento normal a uno “anómalo” o a

uno de “no funcionamiento” cuando se ven sometidos a una tensión baja, recuperando el estado

“normal” cuando el valor de la tensión vuelve a situarse dentro de los márgenes de tolerancia. A

continuación se citan varios ejemplos de sus efectos negativos:

En el momento del arranque, un motor no podrá iniciar el giro si la tensión no es suficiente

para proporcionar el par mecánico que requiere el eje. Sufrirá un sobrecalentamiento que

podría provocar su avería.

En las lámparas incandescentes, se observa una disminución en la intensidad lumínica. Las

que funcionan en base a descarga de gases pueden llegar a no cebarse en el momento de la

conexión, permaneciendo apagadas. Si se encontraran funcionando, podrían apagarse y no

se encenderían hasta que la tensión volviera a los límites de funcionamiento.

Contactores o relés pueden producir actuaciones incorrectas, afectando al proceso que estén

controlando.

Reinicialización de los equipos electrónicos basados en microprocesador (ordenadores,

grabadores de vídeo, etc.).

Mal funcionamiento en los equipos de electrónica de potencia. El retorno al valor correcto

de tensión puede comportar, en algunos casos, la avería del aparato.

Sobretensión

La sobretensión produce fundamentalmente un efecto de calentamiento de los receptores. En

determinadas circunstancias, este calentamiento puede ocasionar la avería de los equipos si se

supera el límite térmico que toleran.

Es más difícil detectarla, ya que los receptores no dejan de funcionar instantáneamente y no es fácil

apreciar de inmediato su sobrecalentamiento.


43

Tabla resumen

Tabla 3.1. Detección de los efectos de las sobretensiones y subtensiones.

Efectos sobre los receptores

Receptor Subtensión Sobtetensión

Lámparas incandescentes Menor intensidad lumínica Intensidad lumínica

elevada

Lámparas de descarga No se ceban en su conexión Intensidad lumínica similar

Motores Sin par de arranque Calentamiento

Relés, contactores Posible desconexión Calentamiento

3.1.3. Efectos de los microcortes y huecos de tensión

Efectos de los microcortes sobre las fuentes de alimentación

Figura 3.2. Microcorte sobre una fuente de alimentación [1].

Figura 3.3. Esquema eléctrico de una fuente de alimentación.

Memoria

44

En el caso de una fuente de alimentación (rectificador con filtro capacitivo) se han de considerar dos

consecuencias por el microcorte.

1) Al interrumpir la tensión de alimentación el equipo continúa alimentándose de la energía

almacenada en el capacitor de forma que la tensión de éste va disminuyendo.

En la figura 3.2, se representa en línea discontinua la tensión en el capacitor de filtro

(conectándose en el lado DC de la fuente de alimentación) después de sufrir un microcorte de

un semiperiodo (en este ejemplo, ocurre en el semiperiodo negativo).

Se puede observar la importante bajada de la tensión del capacitor que puede dar lugar a

problemas de funcionamiento, ya sean pérdidas de la memoria de PCs, relojes, grabadores de

vídeo, receptores de televisión…, averías en discos duros, fallos de programa en PCs y autómatas

programables, etc.

2) Fuerte pico de corriente que se produce en el momento de la reconexión a causa de que el

capacitor está muy descargado. En la figura 3.2, se observa en línea continua la forma de onda de

corriente en el lado AC de la fuente de alimentación. En el momento de reconexión, el valor de

cresta de la corriente alcanza un valor superior al doble de régimen permanente.

Este elevado valor, puede provocar la fusión de un fusible o la desconexión de un interruptor

magnetotérmico, convirtiendo el microcorte en una interrupción. También existe la posibilidad

de que pueda averiar el aparato protector contra sobreintensidades y cortocircuitos.

La fuente de alimentación dispone de un sistema automático que actúa al sufrir un microcorte.

En este sistema se conecta una resistencia en serie en el lado AC de la fuente de alimentación,

cuyo objetivo es limitar la corriente de carga del capacitor en el momento de reconexión después

de sufrir un microcorte. Posteriormente, la resistencia es cortocircuitada.

Efectos de los huecos de tensión

Motores síncronos

Cuando se produce un hueco de tensión, disminuye el par motor, que es proporcional a la tensión, y

puede llegar a perder la velocidad de sincronismo si su duración es elevada y la inercia del motor,

pequeña.


45

p

f

pmSIN

21

(3.1)

Donde:

ωSIN es la velocidad de sincronismo en rad/s

ωm es la velocidad en el rotor en rad/s

f es la frecuencia en Hz

p es el número de pares de polos en la máquina

La probabilidad de que esto ocurra no es elevada, a no ser que el hueco supere el 50%, dada la gran

masa inerte que poseen y sus posibilidades de sobreexcitación. Sin embargo, si se produce, sus

consecuencias suelen ser importantes.

Ordenadores

Tanto los ordenadores que realizan funciones administrativas, como los de vigilancia y control de

procesos industriales, son sensibles a los huecos de tensión, que pueden ocasionar en ellos pérdidas

de información o interpretaciones erróneas de órdenes.

3.1.4. Desequilibro de tensión o corriente

Transformadores

Para una misma carga activa, la intensidad causada por la asimetría puede ser el doble de la que

existiría en situación de simetría. Por ello, cuando en la red hay conectadas cargas que producen

asimetría, el rendimiento de los transformadores puede llegar a reducirse hasta un 40%.

Motores asíncronos

En los motores asíncronos, los aumentos de temperatura por calentamiento son significativos para

valores de Uasim superiores a un 1% y son especialmente perjudiciales cuando se llega al 2% en

máquinas a pleno rendimiento.

Memoria

46

Motores síncronos

Se tolera un valor de Uasim de entre un 1% y un 2%. En caso de superar los límites tolerados, las

consecuencias son las mismas que en las del motor asíncrono.

Equipos de regulación y control

Como señala la norma CEI 146, deben estar preparados para aceptar un grado de asimetría de hasta

un 2%. En caso de que este nivel sea superado, su funcionamiento puede verse afectado de forma

significativa.

3.2. Efectos de los armónicos

3.2.1. Efectos sobre los motores

Los armónicos de tensión provocan en los motores un aumento de las pérdidas en el hierro y en el

cobre que provocarán sobrecalentamientos. Estas pérdidas implican una reducción de la vida útil de

la máquina.

No se deberían de alimentar los motores con más de un 5% de THDU.

Cada uno de los armónicos de tensión presentes en la red tienden a hacer girar al motor a una

velocidad diferente, la correspondiente a su frecuencia. Sin embargo, habitualmente la componente

fundamental es mucho mayor que las componentes armónicas, la velocidad del motor será la que le

correspondería si no hubiese armónicos presentes, pero esta presencia de armónicos provocará en el

motor la aparición de pares de giro parásitos que pueden provocar oscilaciones con el consecuente

desgaste mecánico. Estos armónicos, además, provocan un sobrecalentamiento del motor que

afectará en su vida útil.

3.2.2. Calentamientos: conductores, hilo de neutro, y otros dispositivos

El calentamiento es uno de los efectos más importantes de los armónicos. Se puede producir en los

devanados de los transformadores, motores, conductores en general y especialmente en el hilo de

neutro.


47

Figura 3.4. Efecto pelicular en un conductor.

Debido al efecto pelicular (conocido en inglés como efecto “skin”), a medida que la frecuencia de la

tensión o corriente aumenta por efecto de los armónicos, ésta tiende a circular por el exterior del

conductor desaprovechando gran parte de la sección, lo que significa que aumenta la resistencia del

cable. Esta mayor resistencia, unida a la circulación por el exterior provoca un aumento de

temperatura del cable, con el consiguiente peligro de dañar el aislamiento del mismo y llegar, en

ciertos casos, a generar un foco de incendio, en especial si el cable no está protegido contra el fuego.

En el caso de los motores, este calentamiento y deterioro del aislamiento puede provocar

cortocircuito en los devanados con el consiguiente riesgo para la vida de éste, y para la instalación.

El calentamiento debido a los armónicos se puede producir en los transformadores,

magnetotérmicos, conductores de fase o conductores de neutro. Es especialmente importante en los

transformadores y en los conductores de neutro. Los conductores de neutro se ven especialmente

perjudicados, porque es práctica habitual diseñar los cables de neutro con una sección igual a la

mitad de la sección de los conductores de fase, ya que cuando el sistema está equilibrado la corriente

por el neutro debería de ser cero.

Existe un tipo de armónico que se caracteriza por circular por el neutro, independientemente de si el

sistema ésta o no equilibrado. Esto provoca que la frecuencia de la corriente del neutro pueda ser de

150 Hz (tercer armónico) y que su valor eficaz pueda tener un valor elevado; en particular este tipo

de corrientes es la suma de las corrientes armónicas que circulan por las fases.

Efecto piel o pelicular: A mayor frecuencia, menor superficie de circulación y, por lo

tanto, mayor resistencia a la circulación con lo que la densidad de corriente aumenta.

Esto explica por qué las antenas de las viviendas están huecas, ya que la corriente, que

es de alta frecuencia, sólo circula por la superficie de la antena. No hace falta que sea

sólida.

Memoria

48

Para detectar si hay circulación de corriente por el neutro, se recomienda hacer uso de pinzas

amperimétricas o multímetros con capacidad de medir corrientes con una frecuencia que sea como

mínimo dos o tres veces superior a la de la componente fundamental.

Para detectar estos calentamientos en hilos de neutro, fase, transformadores o motores, existen en

el mercado sondas de temperatura por infrarrojos o medidores por infrarrojos que evitan ponerse en

contacto con partes activas.

3.2.3. Salto de protecciones

Figura 3.5. Valor eficaz rms y valor de pico de la luminaria LED de pared 70731133-884.

Las señales con armónicos pueden tener un valor eficaz rms muy pequeño y sin embargo alcanzar un

valor de pico muy elevado. Esto hace que los equipos de protección, magnetotérmicos y diferenciales

puedan saltar. En la figura 3.5, se observa cómo a pesar de que la corriente tiene un valor muy bajo

(IRMS=12,95mA), el pico de corriente alcanza un valor mucho más elevado (Ipico=Imax=408mA).

Los magnetotérmicos saltan porque aunque la corriente eficaz está dentro de los márgenes, los

armónicos provocan aumentos de temperatura y por lo tanto su disparo.

En cuanto a los diferenciales, el efecto dependerá de cuál es la clase del diferencial, si es capaz o no

de responder a corrientes pulsantes, o si tiene la capacidad o no de “ver” armónicos.

Con la existencia de armónicos, se puede decir que el diferencial cambia su forma de actuar,

haciendo que estos dispositivos den la impresión de que estén mal ajustados. Realmente lo que

ocurre es un efecto de descalibración de los equipos diferenciales, a consecuencia de la circulación de

las frecuencias elevadas, múltiplos de 50 Hz.


49

Para evitar este tipo de saltos, se han creado los interruptores diferenciales superinmunizados que

aseguran la continuidad del servicio al filtrar corrientes armónicas de alta frecuencia (ruido eléctrico),

ya que en el secundario del transformador toroidal se incorpora un circuito que almacena toda esta

energía.

3.2.4. Resonancia

Un condensador en paralelo con una bobina forma un circuito resonante, capaz de amplificar las

señales de una determinada frecuencia. Cuando en una instalación eléctrica se coloca una batería de

condenadores se está formando un circuito resonante, ya que la batería de condensadores está en

paralelo con la instalación que es inductiva. Este circuito resonante puede amplificar ciertas

frecuencias. Esto provoca que ciertos armónicos puedan ser amplificados, pudiendo hacer que los

efectos de éstos sean aún más perjudiciales, ya que hay un riesgo muy elevado de que se quemen las

baterías de condensadores. Estos efectos pueden ocurrir de igual manera en CNLs capacitivas.

“Antes de instalar una batería de condensadores hay que medir, cuantificar los armónicos y, en

caso de que puedan ser perjudiciales, proceder a eliminarlos a través de un filtro pasivo, o si se

puede de un compensador activo”.

3.2.5. Vibraciones y acoplamientos

Las altas frecuencias de los armónicos provocan interferencias electromagnéticas que pueden ser

radiadas o conducidas. Las interferencias electromagnéticas pueden provocar vibraciones en cuadros

eléctricos y transformadores, y/o acoplamientos en redes de comunicación como las redes de

telefonía o redes de ordenadores. En comunicaciones telefónicas este ruido eléctrico supone un

deterioro de la calidad nítida con el interlocutor. En comunicación de datos, como la que se produce

en las redes de ordenadores, este ruido eléctrico puede provocar errores en la información y, en

casos extremos, que esta comunicación no sea posible, teniendo que utilizar cables especiales

apantallados para que la transmisión sea fiable.

3.2.6. Deterioro de la forma de onda de tensión. Achatamiento

Cuando la instalación eléctrica tiene una gran cantidad de armónicos, la corriente distorsionada

generada por las cargas puede provocar una deformación de la forma de onda de tensión, llegando a

presentar un achatamiento o aplanamiento en la parte superior e inferior de la forma de onda

cuando la distorsión es importante (véase en la figura 3.6). Este aplanamiento hace que la señal no

Memoria

50

alcance el valor de pico adecuado, provocando por consiguiente un mal funcionamiento de los

puentes de diodos que se encuentran en las fuentes de alimentación, o en convertidores de

frecuencia, que consumen corriente cuando la señal de tensión alcanza su valor eficaz. Esto fuerza los

diodos rectificadores, reduciendo su vida, o provocan el paro intempestivo en los variadores de

velocidad, destrucción de datos o reinicializaciones de los ordenadores, parpadeo de la iluminación,

etc.

Figura 3.6. Conducción de la corriente en el circuito de entrada de una fuente de alimentación.

El circuito de entrada de una fuente de alimentación consume corriente cuando la forma de onda de

tensión alcanza el valor eficaz. Cuando la tensión está achatada en sus picos, este máximo valor no es

suficiente para hacer conducir a los diodos, lo que puede provocar un mal funcionamiento de los

equipos conectados a la fuente de alimentación.

3.2.7. Tensión entre neutro y tierra distinta de cero

La circulación de corriente por el conductor de neutro provoca una caída de tensión entre neutro y

tierra, ya que la resistencia del cable de neutro no es cero. Es necesario mantener una tensión entre

neutro y tierra cercano a cero. En su defecto, las consecuencias pueden ser muy negativas sobre las

redes de ordenadores, comunicaciones digitales, etc. Además, se recomienda que la instalación

tenga un buen sistema de tierras y que cada equipo o máquina vaya conectado independientemente

a tierra, sin formar lazos entre equipos que favorezcan no sólo la circulación de corrientes parásitas

sino que aumente el riesgo de daños en los equipos.


51

3.3. Efectos de los armónicos en componentes conectados a las

instalaciones

3.3.1. Efectos sobre los condensadores

La impedancia que presenta un condensador es inversamente proporcional a la frecuencia (véase en

la ecuación 3.2), por lo que a mayor frecuencia menor es su impedancia.

CfCX C

···2

1

·

1

(3.2)

Cuanto mayor sea la frecuencia aumentan las posibilidades de corrientes parásitas, acoplamientos

entre cables, mal funcionamiento de las protecciones y relés. El efecto sobre los condensadores que

están conectados a la instalación, es una sobrecarga que puede llegar a quemarlos, si no se toman las

medidas oportunas para corregir estos efectos. Sobre todo es importante el caso de las baterías de

condensadores por el efecto de resonancia.

3.3.2. Cables

Los cables presentan una impedancia que depende de la frecuencia. Las instalaciones se han

diseñado para señales de frecuencia de red, es decir, 50 Hz. Sin embargo, cuando la frecuencia

aumenta, empieza a empeorar la calidad de la alimentación eléctrica, y además hay que tener en

cuenta el efecto pelicular que provoca un aumento de calor.

Por este motivo, se recomienda utilizar cables con sección superior a la recomendada y que además

sean ignífugos para evitar que se extienda fuego en caso de que se produjera, bien sea por un

excesivo calentamiento ocasionado por los armónicos, sobreintensidades o cortocircuitos.

3.4. Interferencias electromagnéticas

Consecuencias de las interferencias electromagnéticas

Las interferencias electromagnéticas provocan en los sistemas digitales y analógicos desórdenes de

varios tipos. Los picos de tensión inducidos en las líneas de señal sensibles causan problemas, pero

las líneas de alimentación (positivo, negativo y masa) son también sensibles. En las situaciones de alto

Memoria

52

nivel de interferencia, tales como los ambientes industriales, el automóvil, etc., los transitorios

pueden causar incluso fallos permanentes en el hardware, si el sistema no está debidamente

protegido.

Debilidad en los sistemas electrónicos

Los sistemas electrónicos sensibles a las interferencias consumen aproximadamente menos del 1%

de toda la energía consumida. El 99% restante es gastado principalmente en alumbrado, motores

eléctricos y calefacción, elementos que son mayoritariamente generadores de interferencia. Ello da

una idea de la cantidad de generadores de interferencia que pueden afectar a cualquier sistema

electrónico.


53

4. Clasificación tecnológica de las cargas no lineales

4.1. Identificación de las CNLs

Para clasificar desde el punto de vista tecnológico e identificar cada una de las CNLs, se lleva a cabo la

siguiente metodología:

1- Montaje del circuito y conectar en el osciloscopio digital una sonda de corriente (CHI) y de

tensión (CHII) para realizar la medición en el lado AC de la fuente de alimentación de la CNL.

Montaje de un circuito realizado en el laboratorio de Simon S.A.

2- Visualizar las formas de onda de corriente y tensión superpuestas en la pantalla del

osciloscopio en un transcurso de tiempo de 40 ms (dos periodos), ajustando la escala de

tiempo a través del osciloscopio digital.

Ajustar la escala de tiempo a 4ms/DIV para visualizar dos períodos en las ondas de corriente y

tensión.

Memoria

54

3- Capturar las imágenes visualizadas en la pantalla del osciloscopio en formato bmp.

4- Guardar los datos registrados en archivo csv y transferirlos al código Matlab para obtener las

imágenes de los espectros armónicos y de los ángulos de fase para cada una de las

componentes armónicas de corriente y tensión.

5- Observar las imágenes mencionadas en el paso 3 y 4 y encontrar en las representaciones

gráficas del apartado 4.3 la pareja de formas de onda en corriente y tensión y espectro

armónico más semejante, con el objetivo de clasificar desde el punto de vista tecnológico la

CNL.

4.2. Aplicaciones

4.2.1. Resumen

Figura 4.1. Tipos de CNLs en función de la tensión de alimentación.

En la figura 4.1, se reflejan los diferentes tipos de CNLs existentes en el mercado actual,

clasificándolas a través de su tensión de alimentación [V], potencia [kW] y sector al cual corresponde

la instalación eléctrica.


55

Cabe mencionar que los usuarios finales destinados al sector industrial que conectan en su red CNLs

con una potencia superior a 1kW, se aconseja que hagan uso de cargas con alimentación a 400V

entre fases, ya que la intensidad que circula por los cables y su sección es menor que en el caso de las

CNLs monofásicas. Esto se demuestra con las expresiones reflejadas en el anexo 2 de la Guía Técnica

de Aplicación del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT).

De esta forma se consigue un ahorro económico importante, ya sea por los siguientes motivos:

El precio de los cables dependen de la sección establecida, siendo más económicos los de

sección menor.

Ahorro en la factura eléctrica al consumir menos corriente.

Menos consumo de energía procedente de combustibles fósiles.

Memoria

56

4.2.2. Tabla de aplicaciones con CNLs clasificadas por sectores

CNLs monofásicas con potencias inferiores a 1kW

Tabla 4.1. CNLs monofásicas con potencias inferiores a 1kW y clasificadas por sectores.

Sector industrial Sector comercial Sector residencial

CN

Ls m

on

ofá

sica

s co

n P

<1

kW

Equipos de iluminación: LEDs

Lámparas de descarga con balasto magnético

Lámparas de descarga con balasto electrónico


LEDs RGB Lámparas de descarga con

balasto magnético Lámparas de descarga con

balasto electrónico


Lámparas de descarga con balasto magnético

Lámparas de descarga con balasto electrónico

Equipos electrónicos: Ordenadores personales (PCs)

Videograbadores Cámaras de vigilancia

Autómatas programables (PLCs)

Smartphones


Televisores (TVs) Videograbadores

Cámaras de vigilancia Fax

Impresoras Smartphones


Televisores (TVs) Videograbadores

Cámaras de vigilancia Smartphones

Mobiliario: persianas motorizadas

Mobiliario: persianas motorizadas

Electrodomésticos: microondas lavadoras

aspiradoras

Mobiliario: persianas motorizadas Herramientas eléctricas:

Taladro neumático Soldador eléctrico


57

CNLs monofásicas con potencias superiores a 1kW

Tabla 4.2. CNLs monofásicas con potencias superiores a 1kW y clasificadas por sectores.


CN

Ls m

on

ofá

sica

s co

n P

>1kW

Maquinaria de elevación: Ascensores

Montacargas

Equipos de climatización: Ventiladores

Aire acondicionado Bombas de calor




Montacargas Maquinaria de elevación:

Ascensores

Equipos de ventilación de aire: Extractores

CNLs trifásicas

Tabla 4.3. CNLs trifásicas y clasificadas por sectores.


CN

Ls t

rifá

sica

s



Equipos con Sistema de Alimentación Ininterrumpida:

SAIs

Herramientas eléctricas: soldador por inducción

Maquinaria industrial: Variadores de velocidad motores AC Variadores de velocidad motores DC


Montacargas

Memoria

58

4.3. Tecnologías

4.3.1. Introducción de CNLs con dispositivos electrónicos

En los apartados 4.3.3 y 4.3.4, se observan las figuras representando gráficamente el circuito

equivalente, las formas de onda de tensión y corriente superpuestas y el espectro armónico para

cada uno de los tipos de CNLs con dispositivos electrónicos existentes. La fuente de dichas figuras se

refleja en [2].

Por otro lado, las CNLs con dispositivos electrónicos pueden ir alimentadas a través de los siguientes

Rectificadores:

Rectificador monofásico con filtro capacitivo

Rectificador trifásico con filtro capacitivo

Rectificador 6p con filtro inductivo


59

4.3.2. Rectificador Monofásico con filtro capacitivo

Introducción

Este tipo de cargas corresponde tanto a las fuentes de alimentación lineales como conmutadas que

se utilizan para alimentar prácticamente todos los equipos electrónicos e informáticos, de oficina,

domésticos, etc.

Esquema eléctrico equivalente

Figura 4.2. Circuito equivalente de Rectificador Monofásico con filtro capacitivo.

El circuito equivalente de la figura 4.2, representa simplificadamente el principio de funcionamiento.

Comportamiento en la onda de corriente

Figura 4.3. Forma de onda en corriente de una fuente de alimentación de un PC [1].

Memoria

60

Dado que la tensión en el capacitor se mantiene en un valor muy próximo al de la cresta de la onda

sinusoidal, la carga del condensador sólo puede realizarse alrededor del máximo de la tensión de la

red de alimentación. Por esta razón, toda la energía que necesita la carga en un semiperiodo se

absorbe de la red de alimentación en un intervalo muy corto de tiempo (normalmente entre 2 y 3

ms). Esto da lugar a onda de corriente como la mostrada en la figura 4.3, que corresponde a la

corriente consumida por un PC.

En cargas en la que el filtrado es más pequeño, la onda de corriente tiene menos amplitud y los

pulsos son más anchos. En este caso el contenido armónico es menor.

Espectro armónico y onda de corriente resultante

Figura 4.4. Espectro armónico de la corriente consumida por un Rectificador Monofásico con filtro capacitivo [1].

En la figura 4.4, se observa el espectro armónico típico de la corriente consumida por un Rectificador

Monofásico con filtro capacitivo después de haber desarrollado la serie de Fourier de la onda de

corriente mostrada en la figura 4.3.

Dicho espectro armónico proporciona las corrientes armónicas consumidas por la carga respecto al

valor de la corriente fundamental donde destaca el elevado contenido del armónico de tercer orden

(HDi3=97,5%).

Se observa que la carga no consume armónicos pares debido a la simetría de la semionda de la

corriente.


61

4.3.3. Representaciones gráficas de Rectificadores Monofásicos con filtro capacitivo

Descripción de representaciones gráficas mostradas en la figura 4.5.

Figura 4.5. Circuito equivalente, formas de onda en corriente y tensión superpuestas y espectro armónico de las

CNLs formadas por Rectificadores Monofásicos con filtro capacitivo [2].

En la figura 4.5, se observan los circuitos equivalentes, las formas de onda de corriente y tensión

superpuestas y los espectros armónicos de las CNLs clasificadas desde el punto de vista tecnológico

como CNLs con dispositivos electrónicos. Dichas CNLs son alimentadas por un rectificador

monofásico con filtro capacitivo.

Rectificador A (figura 4.5)

Estructura del circuito equivalente

Puente de diodos monofásico, con tal de convertir la señal de AC a DC.

Conexión en el lado DC del rectificador de una resistencia y un condensador en paralelo.

Inductor “L” en lado AC del rectificador.

Memoria

62

Análisis de la onda de corriente

Observando el rectificador “A” reflejado en la figura 4.5, se visualiza una forma de onda en corriente

muy distorsionada dado que en prácticamente la totalidad del período la intensidad que circula se

transfiere a través del punto de referencia (I=0A). Como ya se ha comentado anteriormente, los

intervalos de corriente en cada uno de los semiperiodos transcurren entre 2-3 ms.

Distorsión armónica

El nivel de distorsión armónica en corriente presentado en las frecuencias de tercer y quinto orden

alcanza valores muy elevados, por lo que pueden afectar gravemente en la instalación eléctrica si no

se remedia.

Otro dato muy significativo con tal de determinar el nivel de contaminación de una instalación

eléctrica, es el resultado de la THDi. Para este tipo de CNL, la THDi > 40% (muy contaminante).

Su espectro es muy amplio y el armónico más representativo es el de tercer orden con un 95%. Los

armónicos múltiplos de tres, son los principales causantes de la deformación de la onda de tensión y

de la circulación de corriente por el neutro.

Rectificador B (figura 4.5)


El circuito equivalente de la segunda fila solamente presenta una diferencia respecto al explicado

anteriormente, ya que este dispone de un filtro inductivo llamado Lf conectado en el lado AC del

Rectificador Monofásico. Dicho filtro ayuda a disminuir la tasa total de distorsión armónica de

corriente y a su vez, el valor eficaz total de la corriente (I). Aun así, los armónicos de tercer orden

siguen siendo elevados, siendo aproximadamente del 50%.

Por lo tanto, el circuito equivalente del rectificador “B” está formado por los siguientes bloques:

Puente de diodos monofásico, con tal de convertir la señal de AC a DC.


Filtro inductivo Lf en el lado AC del rectificador.

Inductor “L” en el lado AC del rectificador.


63


Observando el rectificador “B” reflejado en la figura 4.5, se muestra una forma de onda de corriente

poco distorsionada, efecto del filtro inductivo Lf. Además, en la mayor parte del periodo la intensidad

que circula no se transfiere a través del punto de referencia.


El armónico más representativo es el de tercer orden, llegando al 46% aproximadamente. Las

componentes armónicas individuales con frecuencias mayores de tercer orden, son de una magnitud

mucho menor.

Para determinar el grado de contaminación armónica del rectificador “B”, se deduce a través de la

THDi. En este caso, las THDi pueden estar alrededor del 10-20%.

Rectificador C (figura 4.5)


El circuito equivalente de la tercera fila dispone de un convertidor de señales PWM (pulse-width

modulation). Este convertidor permite modificar el ciclo de trabajo en una señal periódica, por lo que

permite controlar la cantidad de energía a transferir al rectificador “C”.

Por lo tanto, el circuito equivalente del rectificador “C” está formado por los siguientes bloques:

Convertidor de señales PWM.


Inductor “L” en el lado AC del rectificador.


Mediante el convertidor de señales PWM se consigue que la onda de corriente sea prácticamente

sinusoidal, tal y como se puede observar en el rectificador “C” de la figura 4.5. Por lo tanto, no se

observa a simple vista deformación alguna en la onda de corriente.

Memoria

64


Al observar el resultado de THDi en el espectro armónico, se concluye que dicho Rectificador no tiene

afectación negativa sobre la CNL ni en el resto de la instalación eléctrica.

4.3.4. Rectificador Trifásico con filtro capacitivo

Introducción

Este tipo de cargas corresponde tanto a las fuentes de alimentación lineales como conmutadas que

se utilizan para alimentar CNLs trifásicas.

Esquema eléctrico equivalente

Figura 4.6. Circuito equivalente del Rectificador Trifásico con filtro capacitivo y con la conexión de un filtro

inductivo en el lado DC de la fuente de alimentación.

El esquema equivalente del Rectificador Trifásico con filtro capacitivo con la conexión de un filtro

inductivo en el lado DC de la fuente de alimentación, se muestra en la figura 4.6.


65


Figura 4.7. Corriente consumida por un Rectificador Trifásico con la conexión de un filtro inductivo en el lado DC

de la fuente de alimentación, con conmutación ideal y sin rizado (trazo continuo) y con conmutación no

instantánea y rizado (trazo discontinuo) [1].

En el caso de Rectificadores Trifásicos con la conexión de un filtro inductivo en el lado DC de la fuente

de alimentación, la onda de corriente tiene mucho parecido con una onda cuadrada.

Figura 4.8. Espectro armónico de la corriente consumida por un Rectificador Trifásico con la conexión de un filtro

inductivo en el lado DC de la fuente de alimentación, considerando una conmutación ideal y sin la existencia de

rizado [1].

Este Rectificador también es conocido como el Rectificador de 6 pulsos, ya que el voltaje que genera

en la carga contiene 6 pulsos en un período de la tensión de la red. Por tanto, los armónicos

presentes en este tipo de Rectificador al considerar que la conmutación es ideal y sin rizado, serán: 5,

7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, etc (véase en la figura 4.8).

Memoria

66

Figura 4.9. Espectro armónico de la corriente consumida por un Rectificador Trifásico con la conexión de un filtro

inductivo en el lado DC de la fuente de alimentación, considerando una conmutación no instantánea y la

existencia de rizado [1].

En la figura 4.7, se muestra en trazo discontinuo la forma de onda de corriente de un Rectificador

Trifásico con filtro inductivo real, es decir, al considerar la conmutación no instantánea y el rizado.

Inclusive, en la figura 4.9 se muestra el espectro armónico en la que se proporciona las corrientes

armónicas consumidas por la CNL respecto al valor de la corriente fundamental.

No se observa que la carga consuma armónicos pares (debido a la simetría de la onda de corriente) ni

armónicos de órdenes múltiplos de 3 (por ser una carga sin neutro y suponiendo que trabaja en

condiciones equilibradas).


67

4.3.5. Representaciones gráficas de Rectificadores Trifásicos con filtro capacitivo

Descripción de representaciones gráficas mostradas en la figura 4.10.

Figura 4.10. Circuito equivalente, corriente consumida y espectro armónico de las CNLs formadas por

rectificadores trifásicos con filtro capacitivo y rectificadores 6p con filtro inductivo [2].

Rectificador A (figura 4.10)


Puente de diodos trifásico, con tal de convertir la señal de AC a DC.


Inductores “L” en lado AC del rectificador.


Observando el “Rectificador A” reflejado en la figura 4.10, se visualiza la onda de corriente típica. En

esta ocasión la doble ovija es la forma característica de dicha onda de corriente, produciéndose dos

oscilaciones en cada uno de los semiperiodos. Entre la finalización de la primera oscilación y el inicio

de la segunda, la circulación de corriente pasa por el punto de referencia (I=0A).

Memoria

68

De la misma forma que en el “Rectificador A” monofásico con filtro capacitivo, las oscilaciones

transcurren en 2-3 ms. En este caso, se duplica el tiempo de circulación de la corriente en cada uno

de los semiperiodos (4-6 ms).


Observando el espectro armónico del “Rectificador A” reflejado en la figura 4.10, se visualiza la

inexistencia de armónicos pares (debido a la simetría de onda de la corriente) y la de armónicos de

órdenes múltiples de tres (por ser una carga sin neutro y suponiendo que trabaja en condiciones

equilibradas) respecto de la frecuencia fundamental.

En las componentes con frecuencias de quinto y séptimo orden, las distorsiones armónicas

individuales son muy elevadas, llegando al 73% y 50% respectivamente.

En este caso la THDi es menor que la del “Rectificador A” monofásico con filtro capacitivo, dado que

hay un aumento del ciclo de trabajo.

Rectificador B (figura 4.10)



Conexión en el lado DC del Rectificador de una resistencia y un condensador en paralelo.

Inductores “L” en el lado AC del rectificador.

Filtros inductivos Lf en el lado AC del rectificador.


La forma de onda de corriente es muy similar a la del “Rectificador A” Trifásico estudiado

anteriormente, es decir, de doble ovija. Sin embargo, hay una diferencia destacable, ya que una vez

empieza a circular corriente se producen dos oscilaciones de forma ininterrumpida en cada uno de

los semiperiodos, es decir, sin pasar por el punto de referencia.

Por lo tanto, hay un aumento del ciclo de trabajo respecto al Rectificador A” Trifásico y una inferior

distorsión de la corriente, debido al efecto del filtro inductivo Lf.


69


En el espectro armónico se observa como los armónicos individuales son de magnitud elevada. Aun

así, estos armónicos individuales son de menor proporción que los del “Rectificador A”, gracias al

efecto de los filtros inductivos (llamados Lf) conectados en el lado AC del Rectificador.

Rectificador C (figura 4.10)





Convertidor de señales PWM.


En el lado AC del “Rectificador C” representado en la figura 4.10, se puede observar el convertidor de

señales PWM, cuyo objetivo es reducir la THDi y el valor eficaz total de la corriente (I).

La forma de onda de corriente es prácticamente senoidal y por lo tanto, entre los diferentes

Rectificadores trifásicos estudiados, éste es el que ofrece mejores prestaciones al no distorsionar la

red y al no ocasionar daños sobre la propia CNL.


La THDi es de un valor despreciable por efecto del convertidor de señales PWM. Por tanto, el uso de

este Rectificador es ideal, ya que no distorsiona la señal de tensión de alimentación.

Rectificador D (figura 4.10)


Puente de Graetz, con tiristores con tal de convertir la señal de AC a DC.

Conexión en el lado DC del rectificador de un filtro inductivo “LDC”.

Memoria

70



La forma de onda de corriente mostrada en la figura 4.10 del Rectificador Trifásico “D” con filtro

inductivo se asemeja mucho a la de una onda de corriente cuadrada. Al conectar un filtro inductivo

“LDC” en el lado DC del Rectificador Trifásico, provoca un retardo de 90° en la onda de corriente

respecto a la onda de tensión.


En el espectro armónico se observa que no se consume ni armónicos pares (por la simetría de onda

de la corriente) ni armónicos de órdenes múltiplos de tres (por ser una carga trifásica sin neutro y

suponiendo que trabaja en condiciones equilibradas).

Al ser un Rectificador Trifásico de 6 pulsos los armónicos presentes serán: 5, 7, 11, 13,17, 19, 23, 25,

etc. El armónico más significativo es el de quinto orden, llegando al 18%.

4.3.6. Introducción de CNLs con arcos de descarga

Figura 4.11. Lámparas de descarga [3].

La luz se produce mediante una descarga eléctrica que se origina entre dos electrodos que están

dentro de un gas o en el vacío.


71

Los arcos de descarga se caracterizan porque su resistencia guarda una relación inversa con la

corriente que circula, siendo éste el motivo de la no linealidad.

Hay que tener presente que una resistencia disminuye de valor cuando la circulación de corriente

aumenta y la CNL se alimenta a una tensión constante, produciéndose por consiguiente un

cortocircuito. Por este motivo, las CNLs con arcos de descarga suelen disponer de una reactancia con

núcleo de hierro (llamada comercialmente como balasto magnético) en serie para limitar la

circulación de la corriente.

Además, el tubo fluorescente dispone de un cebador que tiene doble función. Dichas funciones

consisten en precalentar los electrodos del tubo y a continuación, generar una sobretensión para

encenderlo. Esta sobretensión se genera mediante la apertura de un contacto que es controlado por

un interruptor térmico que interrumpe la corriente que circula por el balasto magnético. Durante el

funcionamiento del cebador (alrededor de 1 segundo) la corriente que genera la luminaria es

aproximadamente el doble de la corriente nominal. Dado que la corriente del conjunto formado por

el tubo y el balasto magnético es esencialmente inductiva, el factor de potencia es muy bajo (una

media entre 0,4 y 0,5). Por lo tanto, en instalaciones con gran número de tubos, es necesario

compensar para mejorar el factor de potencia. En el apartado de esquemas eléctricos equivalentes se

muestran las diferentes configuraciones posibles para compensar el factor de potencia.

Por lo tanto, los capacitores de compensación están adaptados de manera que el factor de potencia

global sea mayor de 0,85. En el caso de compensación paralela, su capacidad media es de 1μF para

10W de potencia activa para cualquier tipo de lámpara.

Tabla 4.4. Posibles configuraciones para la compensación del factor de potencia (f.d.p).

Disposición de compensación Aplicación Comentarios

Sin compensación (figura 4.12) Doméstica Conexión única

Paralela (figura 4.14)

Oficinas, talleres, grandes superficies

Riesgo de sobreintensidad para dispositivos de control

Serie (figura 4.13) Escoger capacitores con alta

tensión de funcionamiento (de 450V a 480V)

Dual (4.15) Evita efecto estroboscópico

Memoria

72

Esquemas eléctricos equivalentes

Figura 4.12. Circuito equivalente sin conectar un capacitor para la compensación del factor de potencia.

En la figura 4.12, se representa el circuito equivalente de la lámpara fluorescente sin capacitor de

compensación y alimentada con una tensión senoidal.

Figura 4.13. Esquema equivalente con capacitor de compensación conectado en serie.

En la figura 4.13, se representa el circuito equivalente de la lámpara fluorescente con un capacitor

conectado en serie con el balasto magnético y el fluorescente.


73

Figura 4.14. Esquema equivalente con capacitor de compensación conectado en paralelo.

En la figura 4.14 se representa el circuito equivalente de la lámpara fluorescente con un capacitor

conectado en paralelo con el balasto magnético y el fluorescente.

Figura 4.15. Esquema equivalente de la conexión dual de dos lámparas de descarga.

Para eliminar el efecto estroboscópico (parpadeo) se emplean las conexiones reflejadas en la figura

4.15. Dicha conexión se ramifica en dos ramas:

Capacitor en serie para la compensación del f.d.p.

Memoria

74

Sin capacitor para la compensación del f.d.p.

El capacitor conectado en serie con uno de los tubos, produce un ángulo de fase respecto al tubo

conectado en la otra rama que hace que no coincidan los instantes en los que los valores de la

tensión llegan a cero, con lo que se corrige el efecto estroboscópico.


Corriente absorbida por un fluorescente

Figura 4.16. Corriente absorbida por un fluorescente sin capacitor para la compensación del f.d.p [1].

En la figura 4.16 se muestra la corriente absorbida por un fluorescente sin conectar un capacitor para

compensar el f.d.p (esquema equivalente de la figura 4.12) y alimentada con una tensión senoidal.

Dada la simetría en la onda de corriente, se puede determinar que en este intervalo de tiempo

(alrededor de 60 ms) no forma parte del arranque del fluorescente, ya que de ser así, se visualizarían

corrientes transitorias muy por encima de la corriente nominal.

Corriente absorbida por dos fluorescentes con configuración dual (con capacitor)

Figura 4.17. Corriente absorbida por dos fluorescentes con conexión dual [1].


75

Si se llevan a cabo las conexiones reflejadas en el esquema equivalente de la figura 4.15, se consigue

reducir el efecto estroboscópico.

Observando la forma de onda de corriente de la figura 1.17 en un intervalo de tiempo aproximado de

60 ms, se aprecia una mayor distorsión respecto a la figura 4.16.

Caso práctico

La disposición de la compensación paralela plantea problemas en el encendido de la lámpara. Dado

que el capacitor está inicialmente descargado, el encendido provoca una sobreintensidad. También

aparece una sobretensión por las oscilaciones del circuito formado por el capacitor y la inductancia

del balasto magnético. Para determinar las órdenes de magnitud, se hace uso del siguiente ejemplo:

Montaje de 50 tubos fluorescentes de 36W cada uno.

Potencia activa total de 1800W.

Potencia aparente de 2kVA.

Corriente RMS total de 9A.

Corriente pico de 13A.

Capacidad total de 175μF.

Inductancia de línea (correspondiente a una corriente de cortocircuito de 5kA) de 150μH.

La corriente pico máxima en el encendido equivale a:

L

CVI máxc

(4.1)

2

máxef

VV

(4.2)

AL

CVI efc 350

10·150

10·175·2·2302·

6

6

(4.3)

Memoria

76

Por lo tanto, la corriente de pico teórica en el encendido puede alcanzar 27 veces la corriente pico

durante el funcionamiento normal.

Figura 4.18. Tensión de alimentación eléctrica en el encendido y corriente de entrada [3].

En la figura 4.18, se observan las formas de onda en corriente y tensión en el encendido del

fluorescente.

Dada la magnitud de la corriente de pico teórica, existe riesgo de unión de contacto en dispositivos

de control electromecánico (interruptor de control remoto, contactor, interruptor automático) o

daños en interruptores de estado sólido con semiconductores.


77

Espectro armónico y onda de corriente resultante

Figura 4.19. Espectro armónico de la corriente consumida por un fluorescente sin compensación del f.d.p [1].

En la figura 4.19, se representa el espectro armónico típico de la corriente consumida por un

fluorescente sin capacitor para la compensación del f.d.p, el cual se obtendría desarrollando la serie

de Fourier de la forma de onda en corriente representada en la figura 4.16.

Dicho espectro armónico proporciona las corrientes armónicas consumidas por la carga respecto al

valor de la corriente fundamental donde destaca el elevado contenido del armónico de tercer orden,

llegándose a obtener un HDi3=35%.

4.3.7. Representaciones gráficas de CNLs con arcos de descarga

Figura 4.20. Circuito equivalente, corriente consumida y espectro armónico de las CNLs con arcos de descarga,

conectando un balasto magnético o electrónico [2].

Memoria

78

En la figura 1.18, se observan los circuitos equivalentes, las formas de onda de corriente y tensión

superpuestas y las tasas individuales de distorsión armónica en corriente (HDik) de las CNLs

clasificadas desde el punto de vista tecnológico como CNLs con arcos de descarga, conectando

balastos magnéticos o electrónicos.

Estructura del circuito equivalente en LD balasto magnético

Conexión en serie de una reactancia inductiva y de la lámpara de descarga.

Análisis de la onda de corriente en LD balasto magnético

En la forma de onda de corriente se aprecia una leve distorsión, debido a la resistencia de los arcos

de descarga que guardan una relación inversa con la corriente.

Otra observación a tener en cuenta es el retardo de 90° de la onda de corriente respecto a la onda de

tensión, debido al efecto inductivo de la reactancia.

Distorsión armónica en LD balasto magnético

En el espectro armónico se observa que las componentes armónicas presentes son de baja magnitud.

Estructura del circuito equivalente en LD balasto electrónico


Conexión en paralelo en el lado DC del balasto electrónico de una resistencia, de un

capacitor y de una lámpara de descarga.

Resistor en el lado AC del balasto electrónico.

Análisis de la onda de corriente en LD balasto electrónico

Se detecta que la forma de onda en corriente tiene forma pulsante y está muy deformada.


79

Distorsión armónica en LD balasto electrónico

En el espectro armónico se observa que las componentes armónicas presentes son de elevada

magnitud. El armónico más representativo es el de tercer orden, con una tasa del 72%.

4.4. Análisis técnico de CNLs para su clasificación

Estructura en el estudio de las CNLs

En este apartado, se argumenta cual es la estructura que se va a emplear para el estudio de

cada CNL.

Características técnicas

1- Tablas donde se muestran las características técnicas más relevantes de la CNL.

Análisis técnico de las capturas de onda y cálculo del ciclo de trabajo

1- Mostrar la captura obtenida con el osciloscopio digital en la que aparecen las formas de onda de

corriente y tensión superpuestas. A continuación se muestra un ejemplo.

Figura 4.21. Ejemplo de captura obtenida de las formas de onda de corriente y tensión midiendo en el lado de

AC de la fuente de alimentación de la CNL, mediante el osciloscopio digital Tektronix.

2- Describir las observaciones vistas en la captura.

Memoria

80

3- Cálculo del ciclo de trabajo a través de la expresión matemática 4.4.

TD

(4.4)

Donde:

D: Ciclo de trabajo

τ: Tiempo de conducción de la onda de corriente

T: Período de la onda de corriente

4- Figura en la que se refleja la línea de regresión del ciclo de trabajo. A continuación se muestra un

ejemplo.

Figura 4.22. Ejemplo de línea de regresión τ vs T de la CNL.

En la figura 4.22, se refleja la línea de regresión del ciclo de trabajo, situando en el eje de ordenadas

el tiempo de conducción de la corriente (τ) y en el eje de abscisas el período total de la onda de

corriente (T).

Para llevar a cabo este gráfico, se han tenido en cuenta los siguientes aspectos:

Duración del periodo de 20 ms.

Observar en que intervalos de tiempo la corriente permanece activa e inactiva (ver en la

figura 4.21).

Para CNLs donde prevalezca la nulidad de corriente en gran parte del periodo, se opta por introducir

en la tabla Excel 200 valores en cada eje en intervalos de tiempo de 0,1ms.

τ = 0,001T + 0,1986 R² = 0,0001

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10 15 20

τ *m

s]

T [ms]

Línea de regresión τ vs T


81

5- Comentar los resultados obtenidos de la ecuación de regresión lineal y del coeficiente de

determinación, para deducir su linealidad en el tiempo de conducción de la corriente.

Análisis técnico del espectro armónico y cálculos

1- Mostrar el espectro armónico que efectúa Matlab al descomponer por Fourier la señal obtenida

con el osciloscopio digital. A continuación se muestra un ejemplo.

Figura 4.23. Ejemplo de espectro armónico efectuado a través del código Matlab al descomponer por Fourier la

señal obtenida con el osciloscopio.

Partiendo del archivo csv obtenido con el osciloscopio digital DPO 3034, se transfieren los datos

registrados a Matlab con tal de visualizar las distorsiones armónicas individuales de la corriente

filtrada en función del orden del armónico y los ángulos de fase de las componentes armónicas de la

corriente filtrada.

En el espectro armónico de la figura 4.23 se filtran las componentes armónicas indicadas a

continuación:

Filtrado de armónicos de orden superior a 39 (f>1950Hz).

Filtrado de armónicos de orden par, ya que dada la simetría de onda de la corriente, la

magnitud de éstos son despreciables.

En los espectros armónicos obtenidos para cada una de las CNLs se ha rectificado el desplazamiento

vertical (sin offset) visible en las ondas de corriente medidas con el osciloscopio digital, teniendo en

cuenta que la sonda de corriente es un dispositivo muy sensible y pueden obtenerse lecturas algo

imprecisas.

Memoria

82

2- Comentar los resultados obtenidos a través del código Matlab al efectuar la descomposición de

Fourier, referidos a las THDi, I1 e I. A continuación se muestran los cálculos realizados:

De la ecuación 4.5, se puede deducir si los armónicos son superiores a la corriente fundamental. Si la

distorsión armónica de la corriente es superior al 100%, significa que el valor eficaz de la corriente

será más elevado que el de la componente fundamental.

1II (4.5)

Comparativa entre los espectros armónicos con distinto flujo lumínico

Este apartado solamente se incluye si las CNLs son dimmables.

1- Cálculo en % de la disminución del valor eficaz de la componente fundamental (ver ecuación 4.7)

y del valor eficaz total de la corriente (ver ecuación 4.9) al ser reducido el flujo lumínico.

100%

%100

%50

1

1

1

flujo

flujo

I

II

(4.6)

%% 1%1001 II (4.7)

100%

%100

%50

flujo

flujo

I

II

(4.8)

%%%100 II (4.9)

2- Cálculo en % de la disminución de la distorsión armónica total de corriente al reducir el flujo

lumínico al 50%.

%50%100 THDiTHDi (4.10)


83

4.4.1. Procedimiento en la toma de medidas

Resumen

En este capítulo se explica cuál ha sido el procedimiento empleado para lograr el registro de las

ondas de corriente y tensión superpuestas mediante el osciloscopio digital.

El osciloscopio digital usado para la captura de imágenes de dichas ondas es el DPO 3034, de la marca

Tektronix.

Para obtener información técnica sobre el producto, consultar en [4] la ficha técnica.

Conexión de las sondas en los Canales 1 y 2

Figura 4.24. Entradas del osciloscopio digital DPO 3034 para la conexión de las sondas de corriente y tensión [4].

Para reproducir en la pantalla del osciloscopio digital DPO 3034 las formas de onda de corriente y

tensión, se conectan las sondas de corriente y de tensión en los canales 1 y 2 respectivamente.

Memoria

84

Uso de sondas de corriente

A lo largo de todo el Trabajo Final de Grado, se ha hecho uso de dos sondas de corriente distintas, ya

que dicho material ha sido facilitado por empleados de SIMON S.A y no siempre ha sido posible

realizar las medidas con el mismo.

Tabla 4.5. Sondas de corriente utilizadas para cada una de las CNLs medidas en el TFG.

CNLs para la sonda de corriente TCP0030

CNLs para la sonda de corriente HZO50

Luminaria LED de pared 70731133-884

Videograbador Alert 8901109-39

Luminaria LED modular 72660130-884 (regulación del

50% y 100%) Huawei P9 Lite

Luminaria LED 70621130-483 PC Portátil Asus

Luminaria LED 72523030-983

Lámpara de descarga OSRAM con balasto electrónico

Lámpara de descarga OSRAM con balasto magnético

En la tabla 4.5, se especifica las sondas de corriente utilizadas para cada una de las CNLs medidas.

Particularidades de la sonda de corriente TPC0030

Figura 4.25. Sonda de corriente TCP0030, pudiéndose observar en la parte izquierda de la imagen el mando con

los tres botones y en la parte derecha de la imagen la pinza para la introducción del conductor L (conductor de

línea) [5].


85

La sonda de corriente TCP0030 dispone en uno de los extremos de una pinza para introducir

alrededor de ésta el conductor de fase (L). Antes de situar el conductor de fase alrededor de la pinza,

es necesario fijarse en la flecha serigrafiada en el plástico de la carcasa, ya que para reproducir

correctamente la onda de corriente dicha flecha debe dirigirse aguas abajo, es decir, hacia la propia

carga.

En el otro extremo de la sonda de corriente, se tiene un mando con conector BNC macho en el que se

debe de conectar al canal 1. Además, el mando tiene tres botones y permite realizar las acciones que

se explican a continuación:

Botón “Range”, permite seleccionar el rango de intensidad para la medición de la onda de

corriente.

Botón “Degauss Autozero”, permite mejorar la precisión de la medida al autocalibrarse el

punto de referencia en las ondas de corriente y tensión, asegurando que el valor medio sea

nulo (corriente en AC).

Botón “Menú”, permite visualizar la pantalla de configuración de la sonda en el osciloscopio.


Particularidades de la sonda de corriente HZO50

Figura 4.26. Sonda de corriente HZO50, pudiéndose observar en la parte izquierda de la imagen la pinza para la

introducción del conductor de fase y en la parte derecha de la imagen el mando con dos botones y el conector

BNC macho [6].

La sonda de corriente HZO50 dispone en uno de los extremos de una pinza y de igual forma que en la

sonda de corriente TCP0030, se introduce alrededor de ésta el conductor de fase. También es

Memoria

86

necesario fijarse en la flecha serigrafiada en el plástico de la carcasa, direccionándola aguas abajo, es

decir, hacia la propia carga.

Dicha sonda de corriente dispone de un mando con dos botones, teniendo las siguientes

funcionalidades:

Botón “ON/OFF”, permite encender/apagar la sonda de corriente.

Botón “Zero”, permite mejorar la precisión de la medida al autocalibrarse el punto de

referencia en las ondas de corriente y tensión, asegurando que el valor medio sea nulo

(corriente en AC).

Para conectar la sonda de corriente al canal 1, se dispone de un latiguillo con un conector BNC macho

en uno de los extremos.


Particularidades de la sonda de tensión Tektronix

Figura 4.27. Partes que constituyen la sonda de tensión pasiva [7].

La sonda pasiva utilizada para las mediciones de la onda de tensión es del tipo 10X, con lo cual se

aplica un factor de atenuación que por consiguiente reduce la amplitud de la señal en un factor de

10.

Tal y como se puede observar en la figura 4.27, en el canal 2 se conecta la sonda de tensión pasiva al

osciloscopio digital DPO 3034 mediante un conector BNC macho. En el otro extremo de la sonda, se


87

dispone de la punta intercambiable y de una pinza de cocodrilo desmontable para conectarlo a masa

(ver figura 4.27 para observar las partes de la sonda de tensión). Para visualizar la onda de tensión, la

punta y la pinza de cocodrilo se sitúan entre los conductores L (fase) y N (neutro) respectivamente.

Almacenamiento de datos e imágenes

Una vez reproducidos dos períodos de las ondas de tensión (ajustando la escala de tiempo a 4

ms/escala) y corriente superpuestas en la pantalla del osciloscopio digital, es necesario pulsar sobre

el botón “single”, con tal de evitar cualquier movimiento que se pudiera producir en éstas mismas. A

posteriori, se guardan las imágenes en dos formatos distintos:

Formato csv para transferir los datos regitrados de la medida a Matlab. El objetivo final, es

realizar un tratamiento con los datos registrados para que el código Matlab reproduzca la

imagen del espectro armónico y las formas de onda de tensión y corriente superpuestas

filtrando los armónicos de orden superior a 39.

Formato bmp para obtener las imágenes de las formas de onda de corriente y tensión

superpuestas medidas mediante el osciloscopio digital.

Aislamiento del osciloscopio digital DPO 3034

Figura 4.28. Características eléctricas del transformador de aislamiento TIM 100 de la marca Block.

Para evitar que el osciloscopio digital DPO 3034 sufra algún tipo de daño, ya sea por un error de

montaje, por la aparición de un cortocircuito, sobretensión, etc, se ha asegurado su integridad

conectando un transformador de aislamiento (transformador que ofrece aislamiento galvánico) entre

el aparato de medida y la red de alimentación a 230V en AC. De esta forma se consigue aislar el

aparato de medida del resto de la instalación.

Memoria

88

En la figura 4.28 se observa el transformador de aislamiento TIM 100 de la marca Block y sus

características eléctricas.

Mediciones con dispositivos electrónicos en las CNLs

En este apartado se pueden observar los esquemas eléctricos de los montajes realizados para cada

una de las CNLs con dispositivos electrónicos, mostrando las conexiones de las sondas de corriente y

tensión del osciloscopio DPO 3034 a dichas cargas.

Mediciones en las luminarias LED dimmables con BUS 1-10V

Tabla 4.6. Referencias de las luminarias LED dimmables.

Referencia

70621130-483

72660130-884

En la tabla 4.6, se muestran las referencias de las luminarias LED dimmables con BUS 1-10V que han

sido medidas a través del osciloscopio digital para su análisis.

Figura 4.29. Medidas de las formas de onda en tensión y corriente mediante el osciloscopio digital DPO 3034,

para las luminarias LED dimmables con BUS 1-10V.


89

En la figura 4.29, se observan los dispositivos electrónicos utilizados en las medidas con el

osciloscopio digital DPO 3034, siendo los siguientes:

LEDs dimmables, pudiendo regular a través del BUS 1-10V.

Fuentes de alimentación dimmables, pudiendo regular a través del BUS-10V.

Regulador electrónico con Ref. 75317-39.

El regulador electrónico con ref. 75317-39, es un dispositivo que permite el control del flujo lumínico

entre el 1 y el 100% al ejercer la rotación sobre el potenciómetro del cual dispone. La regulación de

carga se transfiere a través del BUS 1-10V, ya que en éste se producen variaciones en la amplitud de

la onda de tensión de 1V a 10V al ejercer la rotación sobre el potenciómetro.

Para obtener las señales superpuestas de las ondas de corriente y tensión, se requiere realizar las

conexiones mostradas en la figura 4.29 y seguir el procedimiento explicado anteriormente.

Tabla 4.7. Flujos lumínicos de las luminarias LED dimmables con BUS 1-10V.

Referencia Flujo lumínico del

100% [lm] Flujo lumínico del

50% [lm]

70621130-483 900 450

72660130-884 3200 1600

Las medidas tomadas en las CNLs dimmables con BUS 1-10V, se han realizado capturando las ondas

de corriente y tensión superpuestas regulando el flujo lumínico al 50% y al 100%.

En el apartado de “Clasificación Tecnológica”, se estudian las posibles variaciones que se producen al

realizar la regulación del flujo lumínico.

Mediciones en las luminarias LED no dimmables

En la tabla 4.8, se muestran las referencias de las luminarias LED no dimmables que han sido medidas

a través del osciloscopio digital para su análisis.

Tabla 4.8. Referencias de las luminarias LED no dimmables.

Referencia

70731133-884

72523030-983

Memoria

90


para las luminarias LED no dimmables.

En la figura 4.30, se observan los dispositivos electrónicos utilizados para realizar dichas mediciones,

siendo los siguientes:

LEDs no dimmables.

Fuentes de alimentación no dimmables.

Para obtener las formas de onda de corriente y tensión superpuestas, se requiere realizar las

conexiones mostradas en la figura 4.30.

Mediciones en el Videograbador de Seguridad

En la tabla 4.9, se muestra la referencia del Videograbador de Seguridad que ha sido medido a través

del osciloscopio digital para su análisis.

Tabla 4.9. Referencia del Videograbador de Seguridad.

Referencia

8901109-039


91


para el Videograbador de Seguridad.



Videograbador de Seguridad.

Fuente de alimentación con tensión de entrada a 230V en AC y tensión de salida a 12V en

DC.

Figura 4.32. Vista ampliada del cable multifilar con conector de alimentación hembra.

Memoria

92

En la figura 4.32, se muestra la vista ampliada de la conexión entre la salida de la fuente de

alimentación a 12V en DC y el conector de alimentación macho ubicado en la cara trasera del

Videograbador de Seguridad. Por lo tanto, en este tramo se hace uso de un cable multifilar con

conductor positivo (rojo) y negativo (negro).

Figura 4.33. Conector de alimentación hembra.

En la figura 4.33, se muestra el conector de alimentación hembra ubicado en uno de los extremos del

cable multifilar, siendo el encargado de conectar con la entrada del Videograbador de Seguridad a

través del conector de alimentación macho.

Para obtener las formas de onda en corriente y tensión superpuestas, se requiere realizar las



93

Mediciones en PCs portátiles

En la tabla 4.10, se muestra la referencia del PC portátil que ha sido medido a través del osciloscopio

digital para su análisis.

Tabla 4.10. Referencia de los PCs portátiles.

Referencia

X554L PC Portátil Asus

Figura 4.34. Medidas de las formas de onda de tensión y corriente mediante el osciloscopio digital DPO 3034,

para los PCs portátiles.



PC portátil.

Fuente de alimentación con tensión de entrada a 230V en AC y tensión de salida a 19V.

Memoria

94

De igual manera que en el Videograbador de Seguridad, se dispone de una entrada con conector de

alimentación macho en el PC portátil para conectar con la salida de la fuente de alimentación. Por lo

tanto, se hace uso del accesorio mostrado en la figura 4.33.



Lámpara de descarga con balasto magnético

En la tabla 4.11, se muestra la referencia de la lámpara de descarga con balasto magnético que ha

sido medida a través del osciloscopio digital para su análisis.

Tabla 4.11. Referencia de la lámpara de descarga con balasto magnético.

Referencia

OSRAM G13L L18W/865

Figura 4.35. Medidas de las formas de onda de tensión y corriente mediante el osciloscopio digital DPO 3034,

para la lámpara de descarga con balasto magnético.


95

En la figura 4.35, se observan las conexiones de un cebador y de un balasto magnético, ya que son

elementales para el correcto funcionamiento de la lámpara fluorescente.



4.4.2. Filtrado de la distorsión armónica

Análisis mediante las formas de onda en corriente y tensión

Figura 4.36. Formas de onda en corriente y tensión superpuestas de la luminaria LED de pared 70731133-884,

filtrando las componentes armónicas con f > 1950 Hz.

A continuación se explica que representa cada trazo, de los cuales se pueden visualizar en la figura

4.36:

La forma de onda de corriente medida es la graficada en color azul con trazo grueso.

La forma de onda de corriente filtrada es la graficada en color rojo con trazo fino (queda

superpuesta a la anterior con grosor y color distintos para poder distinguirla más fácilmente).

La forma de onda de tensión medida es la graficada en color rojo con trazo grueso.

La forma de onda de tensión filtrada es la graficada en color azul con trazo fino (queda

superpuesta a la anterior con grosor y color distintos para poder distinguirla más fácilmente).

Memoria

96

Para argumentar la causa raíz de la presencia de ruido eléctrico en las ondas de corrientes medidas

en cada una de las CNLs, se hace uso de la imagen obtenida (ver en la figura 4.36) con el código

Matlab para la luminaria LED de pared 70731133-884.

En la figura 4.36, se observa el filtrado de la onda de corriente en las componentes armónicas con

frecuencia de orden superior a 39, es decir, frecuencias superiores a 1950 Hz.

En el segmento 8 del código Matlab, se introduce la variable kfin que permite filtrar las componentes

armónicas con frecuencias de orden superior al valor indicado. En todas las medidas realizadas se ha

introducido un valor de 39 en la variable kfin, ya que por convenio se limita el número de armónicos

que se analizan.

Figura 4.37. Formas de onda en corriente y tensión superpuestas de la luminaria LED de pared 70731133-884,

filtrando las componentes armónicas con f < 125 KHz.

En la figura 4.37 se representan las formas de onda en corriente y tensión de la luminaria de pared

70731133-884, con la presencia de armónicos en un rango de frecuencias que va de los 50 Hz hasta

los 125 kHz.

En este caso, la onda de corriente se representa con un trazo de color rojo que es más grueso que el

mostrado en la figura 4.36, debido a la presencia de componentes armónicas con frecuencias de

orden superior a 39.


97

Análisis mediante los espectros armónicos

Tabla 4.12. Resultados obtenidos en la luminaria de pared 70731133-884 a partir del código Matlab.

Referencia Rango de

frecuencias THDi I1 I

70731133-884 50 Hz a 1950 Hz 163,5 0,0508 0,0973

50 Hz a 125 KHz 165,5 0,0508 0,0982

Figura 4.38. Espectro armónico. En el gráfico superior se aprecia las distorsiones armónicas individuales de la

corriente filtrada en función del orden de armónico. En el gráfico inferior, se muestran los ángulos de fase de las

componentes armónicas de la corriente filtrada, siendo frecuencias de orden superior a 39.

En la figura 4.38, se refleja el espectro armónico obtenido con el código Matlab de la luminaria LED

de pared 70731133-884, filtrando las componentes armónicas con f > 1950 Hz.

Figura 4.39. Espectro armónico. En el gráfico superior se aprecia las distorsiones armónicas individuales de la

corriente filtrada en función del orden de armónico. En el gráfico inferior, se muestran los ángulos de fase de las

componentes armónicas de la corriente filtrada, siendo frecuencias de orden superior a 2500.

Memoria

98

En la figura 4.39, se refleja el espectro armónico obtenido con el código Matlab de la luminaria LED

de pared 70731133-884, sin filtrar las componentes armónicas con f > 1950 Hz. Al observar dicho

espectro armónico se aprecia un aumento en el resultado de la THDi y del valor eficaz de la corriente

respecto al de la figura 4.38.

Filtro EMI

El filtro de Interferencia Electromagnética es un dispositivo electrónico que degrada el campo

electromagnético generado por otros dispositivos cercanos a éste.

Filtros en modo común

Los filtros en modo común se pueden aplicar en los siguientes casos:

Ruido eléctrico originado por los dispositivos electrónicos.

Ruido eléctrico procedente de las líneas de transmisión (líneas de AT y MT).

Ambas variedades, son usadas para suprimir las interferencias EMI en los aparatos electrónicos.

Figura 4.40. Filtro de tipo común.

Consisten en un núcleo toroidal de material ferromagnético al que se le arrolla el cable por donde

pasa la interferencia.

Esta configuración actúa como una bobina de choque y minimiza las interferencias en modo común

de forma satisfactoria. Este montaje deberá de estar lo más próximo posible del receptor tanto para

el caso de la línea de transmisión como de alimentación.


99

Aplicaciones

Se hace uso de filtros EMI en la mayoría de los equipos electrónicos que utilizan fuentes de

alimentación conmutadas, ya que sus efectos son inmediatos.

4.4.3. CNLs con dispositivos electrónicos

Tabla 4.13. CNLs con dispositivos electrónicos.

CNLs con dispositivos electrónicos

Referencia Carga

70731133-884 Luminaria LED de pared

72660130-884 (regulación del 50% y 100%)

Luminaria LED 726 modular 60x60 1-10V

70621130-483 (regulación del 50% y 100%)

Downlight 706.21 WW WIDE FLOOD 1-10V

72523030-983 Downlight 725 empotrado WW

Advance GENERAL

8901109-039 Videograbador Alert de 16

cámaras

Huawei VNS-L31 Huawei P9 Lite

BON00AA#ABE PC portátil HP

QCWB335 PC portátil Asus

En la tabla 4.13, se observan cada una de las referencias de CNLS con dispositivos electrónicos usadas

para su estudio y análisis.

Para las CNLs con referencia 72660130-884 y 70621130-483 se han empleado dos medidas con

regulaciones del flujo lumínico del 50% y 100%.

Luminaria LED de pared 70731133-884

Datos técnicos

Tabla 4.14. Datos técnicas de la luminaria LED de pared 70731133-884.

Datos técnicos

Tensión de red Potencia nominal Flujo lumínico Vida útil

220-240V / 50-60Hz 12W 670lm 30000 h

Memoria

100

En la tabla 4.14, se observan las características técnicas más relevantes de la luminaria LED de pared

70731133-884.

Las fichas técnicas de cada producto se referencian en la bibliografía y permiten obtener más

información técnica.


Figura 4.40. Captura obtenida de las formas de onda de corriente y tensión superpuestas midiendo en el lado de

AC de la fuente de alimentación de la luminaria de pared 70731133-884, mediante el osciloscopio digital

Tektronix.

Al analizar la onda de corriente, se observa que está lejos de tener forma sinusoidal y en gran parte

del periodo la intensidad es prácticamente nula. Observando los semiperiodos positivos y negativos

de la onda de corriente, se puede visualizar que cada uno de ellos permanecen activos durante un

tiempo establecido de 2 ms, mientras que el periodo completo tiene una duración de 20 ms

(f=1/t=50Hz). De esta forma se puede determinar el ciclo de trabajo de dicha CNL, calculándolo

mediante la expresión mostrada a continuación (ecuación 4.11).

2,020

4

ms

ms

TD

(4.11)


101

Figura 4.40. Línea de regresión τ vs T de la luminaria de pared 70731133-884.

El resultado del coeficiente de determinación se refleja en la figura 4.40, siendo R2=0,0001. Por lo

tanto, se deduce que en gran parte del periodo la onda de corriente permanece inactiva.

Dado que la relación lineal entre las variables es muy pequeña, la nube de puntos indica que las

variables “τ” y “T” son independientes. Por lo tanto, este es un modelo de regresión con un alto

porcentaje de variaciones y no es posible predecir el valor de τ.

Por lo tanto, para deducir los intervalos de tiempo donde los semiperiodos de corriente permanecen

activos, se deduce a través de “dT=2 ms” y “dτ=2 ms”. En estos intervalos de tiempo la relación entre

ambas variables es lineal.

Otra observación a destacar, es la presencia de ruido eléctrico en la onda de corriente. El ruido

eléctrico, se manifiesta en forma de distorsión armónica a frecuencias elevadas en dicha onda de

corriente.

τ = 0,001T + 0,1986 R² = 0,0001

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10 15 20

τ *m

s]

T [ms]


dT

dτ

dτ

dT

Memoria

102


Figura 4.41. Espectro armónico de la luminaria de pared 70731133-884: En el gráfico superior se muestran las

distorsiones armónicas individuales de la corriente filtrada en función del orden del armónico. En el gráfico

inferior se muestran los ángulos de fase de las componentes armónicas de la corriente filtrada.

Observando las distorsiones armónicas individuales de la figura 4.41, se ve claramente que el

armónico más significativo es el de tercer orden, llegando al 83%. De hecho, los armónicos de tercer

orden son muy elevados y éstos son los causantes de generar sobrecalentamientos en las CNLs y

deformaciones en la onda de tensión de la red de alimentación. Además, también es la causante de

que en el hilo de neutro circulen tres veces más corriente que por las fases, ya que esto se debe a la

suma de corrientes armónicas que circulan por las fases.

También son significantes las distorsiones armónicas individuales de quinto y séptimo orden,

llegando al 72% y 52%.

En las ecuaciones que se muestran a continuación, se pueden observar los resultados de los valores

eficaces individuales de corriente para las componentes de tercer, quinto y séptimo orden.

mAIHDi

I 2,420508,0100

83

1001

33

(4.12)

mAIHDi

I 6,360508,0100

72

1001

55

(4.13)


103

mAIHDi

I 4,260508,0100

52

1001

77

(4.14)

Para saber el grado de contaminación armónico generado por la propia CNL, es necesario obtener el

resultado de la THDi. Tal y como se puede observar en la parte superior de la figura 4.41, el código

Matlab es capaz de proporcionar dicho resultado, siendo en este caso un valor comprendido del

163,5%. Por lo tanto, se puede afirmar que esta CNL es muy contaminante, superando los valores

recomendados por los fabricantes. Al sobrepasar la THDi el 100%, se deduce que las corrientes

armónicas son superiores a la corriente fundamental.

Por otro lado, se calcula la diferencia entre el valor eficaz total (I=0,0973A) y el valor de la

componente fundamental en corriente (I1=0,0508A).

mAII 5,460508,00973,01 (4.15)

Dada la elevada magnitud del resultado (expresión 4.15) y que la distorsión armónica total de la

corriente tiene una tasa superior al 100%, se deduce lo expuesto anteriormente. Es decir, que el

conjunto de componentes armónicas son superiores a la corriente fundamental.

Conclusiones

Por último, se pretende observar cada uno de los espectros armónicos y formas de onda de corriente

mostrados en el apartado 4.3 y seleccionar la pareja que presenta más similitudes respecto a lo

obtenido con Matlab y con el osciloscopio digital. Al realizar las observaciones pertinentes, se

concluye que la pareja de formas de onda de corriente y espectro armónico que más se asemeja

corresponde al “Rectificador Monofásico A” de la figura 4.5.

Basándose en el estudio y análisis realizado con la luminaria de pared 70731133-884, se puede

determinar que el circuito equivalente corresponde al mostrado en la fila “A” de la figura 4.5.

Memoria

104

Luminaria LED modular 72660130-884

Datos técnicos

Tabla 4.15. Datos técnicos de la luminaria LED modular 72660130-884.

Datos técnicos


220-240V / 50-60Hz 39W 3200lm 30000 h

En la tabla 4.15, se observan los datos técnicos más relevantes de la luminaria LED modular

72660130-884.



La luminaria LED 72660130-884 es una CNL dimmable y por lo tanto permite regular el flujo lumínico

a través del Bus 1-10V.

Análisis técnico de las capturas de onda y cálculo del ciclo de trabajo con una regulación del

flujo lumínico del 100%


AC de la fuente de alimentación de la luminaria modular 72660130-884 con una regulación del flujo lumínico del

100%, mediante el osciloscopio digital Tektronix.


105

Las formas de onda de corriente y tensión superpuestas medidas de la figura 4.42, pertenecen a la

regulación máxima del flujo lumínico en la CNL.

Al analizar la onda de corriente, se observa que tiene forma prácticamente sinusoidal. Por lo tanto,

significa que en el lado AC de la fuente de alimentación se ha hecho uso de un filtro inductivo Lf con

el objetivo de aminorar los efectos de los armónicos y de esta forma, evitar daños en la instalación

eléctrica y en la CNL.

Para determinar el cálculo del ciclo de trabajo se hace uso de la ecuación 4.16.

120

20

ms

ms

TD

(4.16)

Con el resultado obtenido, se deduce que la onda de corriente permanece activa en la totalidad del

período.

Figura 4.43. Línea de regresión τ vs T de la luminaria LED modular 72660130-884, con una regulación del flujo

lumínico del 100%.

El resultado del coeficiente de determinación se refleja en la figura 4.43, siendo R2=1. Por lo tanto, se

deduce que hay circulación de corriente a lo largo de todo el periodo.

Dado que existe una dependencia funcional lineal, se puede concluir que τ=T.



corriente.

τ = T R² = 1

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20

τ *m

s]

T [ms]


Memoria

106

Análisis técnico del espectro armónico y cálculos con una regulación del flujo lumínico del

100%

Figura 4.44. Espectro armónico de la luminaria LED modular 72660130-884 con regulación del flujo lumínico del

100%: En el gráfico superior se muestran las distorsiones armónicas individuales de la corriente filtrada en

función del orden del armónico. En el gráfico inferior se muestran los ángulos de fase de las componentes

armónicas de la corriente filtrada.


armónico más significativo es el de tercer orden, llegando al 15%.

Para saber el grado de contaminación armónico generado por la propia CNL, se observa el resultado

obtenido con el código Matlab de las THDi, siendo éste un valor del 16%. Con este resultado, se

puede afirmar que la luminaria LED modular 72660130-884 es contaminante, según los límites de

distorsión armónica totales en corriente recomendados por los fabricantes de las CNLs. Al ser la THDi

inferior al 100%, se deduce que la corriente fundamental es de magnitud más elevada que las

corrientes armónicas.

A continuación, se calcula la diferencia entre el valor eficaz total de la corriente (I=0,1517A) y la

corriente fundamental (I1=0,1498A).

mAII 9,11498,01517,01 (4.17)


107

Con el resultado obtenido, se deduce que las corrientes armónicas de orden superior a la

fundamental, son de baja magnitud.

Conclusiones con una regulación del flujo lumínico del 100%

Por último, se pretende observar cada uno de los espectros armónicos (distorsiones armónicas

individuales) y formas de onda de corriente mostrados en el apartado 4.3 y seleccionar la pareja que

presenta más similitudes respecto a lo obtenido con Matlab y con el osciloscopio digital. Al realizar

las observaciones pertinentes, se concluye que la pareja de forma de onda en corriente y espectro

armónico que más se asemeja corresponde al “Rectificador Monofásico B” de la figura 4.5.

Sin embargo, se nota una amplia diferencia en los armónicos de tercer orden al comparar entre el

espectro armónico mostrado en la figura 4.5 y el obtenido con el código Matlab.

Para el espectro armónico obtenido con el código Matlab, el tercer armónico llega al 15%.

Para el espectro armónico correspondiente al “Rectificador Monofásico B” de la figura 4.5, el

tercer armónico llega al 46%.

La reducción de la THDi depende de la capacidad de absorción del filtro inductivo Lf.

Basándose en el estudio y análisis realizado con la luminaria LED modular 72660130-884, se puede

determinar que el circuito equivalente corresponde al mostrado en la fila “B” de la figura 4.5.

Memoria

108




AC de la fuente de alimentación de la luminaria modular 72660130-884 con una regulación del flujo lumínico del


Es interesante desde el punto de vista eléctrico tomar medidas de la luminaria LED con distinta

regulación del flujo lumínico, ya que en función de éste puede variar significativamente el valor de

THDi y la cantidad de ruido eléctrico.

Realizando el análisis pertinente, se observan similitudes respecto a la regulación del flujo lumínico

estudiado anteriormente para esta misma carga, siendo las siguientes:

Forma en la onda de corriente prácticamente sinusoidal.

Obtención del mismo resultado en el ciclo de trabajo (D=1) e idéntica línea de regresión.


109


50%

Figura 4.46. Espectro armónico de la luminaria LED modular 72660130-884 con regulación del flujo lumínico del

50%: En el gráfico superior se muestran las distorsiones armónicas individuales de la corriente filtrada en función

del orden del armónico. En el gráfico inferior se muestran los ángulos de fase de las componentes armónicas de

la corriente filtrada.

A priori, no se aprecian grandes diferencias al comparar entre las distorsiones armónicas individuales

con flujo lumínico del 50% y 100%.

Sin embargo, en el siguiente apartado se realiza la comparativa entre dichas distorsiones armónicas

individuales, con la finalidad de determinar numéricamente si existen diferencias significativas.

Para concluir este apartado, se calcula la diferencia entre el valor eficaz total de la corriente

(I=0,0915A) y la corriente fundamental (I1=0,0904A).

mAII 10905,00915,01 (4.18)



Memoria

110

Comparativa entre espectros armónicos con distinto flujo lumínico

Se requiere determinar el resultado en tanto por ciento de la disminución presentada en la corriente

fundamental y en el valor eficaz total de la corriente al ser reducido el flujo lumínico en la CNL. Para

obtener dichos resultados, se emplean las ecuaciones mostradas a continuación:

Disminución de la componente fundamental en corriente

%28,601001498,0

0904,0100%

%100

%50

1

1

1

flujo

flujo

I

II

(4.19)

%7,3928,60100%% 1%1001 II (4.20)

Disminución del valor eficaz en corriente

%38,581001568,0

09154,0100%

%100

%50

flujo

flujo

I

II

(4.21)

%62,4138,58100%%%100 II (4.22)

Con los resultados obtenidos, se concluye que la disminución de ambos parámetros es menos de lo

esperado, dado que la reducción del flujo lumínico es del 50%.

A continuación, se calcula la disminución de THDi al ser reducido el flujo lumínico al 50%.

%14,088,1502,16%50%100 THDiTHDi (4.23)

En este caso particular, tal y como se puede observar en el resultado obtenido en la ecuación 4.23, el

valor de THDi solamente se reduce un 0,14% respecto al flujo máximo tratado anteriormente. Por lo

tanto, no se tiene prácticamente ningún efecto positivo al reducir el flujo lumínico en la CNL.


111


Datos técnicos

Tabla 4.16. Datos técnicos de la luminaria LED 70621130-483

Datos técnicos


100-240V / 50-60Hz 15W 900lm 30000 h

En la tabla 4.16, se observan los datos técnicos más relevantes de la luminaria LED 70621130-483.



La luminaria LED 70621130-483 es una CNL dimmable y por lo tanto permite regular el flujo lumínico

a través del Bus 1-10V.




AC de la fuente de alimentación de la luminaria LED 70621130-483 con una regulación del flujo lumínico del


Memoria

112

Las formas de onda de corriente y tensión superpuestas medidas de la figura 4.47, pertenecen a la

regulación máxima del flujo lumínico en la CNL.

Al analizar la onda de corriente, se observa que tiene forma prácticamente sinusoidal. Por lo tanto,

en el lado AC de la fuente de alimentación se ha hecho uso de un filtro inductivo con el objetivo de

aminorar los efectos de los armónicos y de esta forma, evitar daños en la instalación eléctrica y en la

CNL.

El grado de distorsión existente en la onda de corriente se puede observar visualmente cuando

ambas señales intersecan en el punto de referencia al finalizar el semiperiodo positivo. Véase en la

figura 4.47, que cuando ambas ondas intersecan en el punto de referencia existe un ángulo de fase

positivo en la corriente de 30° respecto a la tensión.


120

20

ms

ms

TD

(4.24)


periodo.

Figura 4.48. Línea de regresión τ vs T de la luminaria LED 70621130-483, con una regulación del flujo lumínico

del 100%.



Dado que existe una dependencia funcional lineal entre variables, se puede concluir que τ=T.

τ = T R² = 1

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20

τ *m

s]

T [ms]



113



corriente.


100%

Figura 4.49. Espectro armónico de la luminaria LED 70621130-483 con regulación del flujo lumínico del 100%: En

el gráfico superior se muestran las distorsiones armónicas individuales de la corriente filtrada en función del

orden del armónico. En el gráfico inferior se muestran los ángulos de fase de las componentes armónicas de la

corriente filtrada.




obtenido con el código Matlab de la THDi, siendo éste un valor del 15%. Con este resultado, se puede

afirmar que la luminaria LED 70621130-483 es contaminante, según los límites de distorsión

armónica totales en corriente recomendados por los fabricantes de las CNLs.

Por otro lado, se calcula la diferencia entre el valor eficaz total de la corriente (I=0,0607A) y el valor

eficaz de la corriente fundamental (I1=0,0600A).

mAII 7,00600,00607,01 (4.25)

Memoria

114



Conclusiones con una regulación del flujo lumínico del 100%


individuales) y formas de onda de corriente mostrados en el apartado 4.3 y seleccionar la pareja que

presenta más similitudes respecto a lo obtenido con Matlab y con el osciloscopio digital. Al realizar

las observaciones pertinentes, se concluye que la pareja de forma de onda de corriente y espectro

armónico que más se asemeja corresponde al “Rectificador Monofásico B” de la figura 4.5.

Sin embargo, se nota una amplia diferencia en los armónicos de tercer orden al comparar entre el

espectro armónico mostrado en la figura 4.5 y el obtenido con el código Matlab.

Para el espectro armónico obtenido con el código Matlab, el tercer armónico llega al 14%.

Para el espectro armónico correspondiente al Rectificador “B” de la figura 1.5, el tercer

armónico llega al 46%.

La reducción de la THDi depende de la capacidad de absorción del filtro inductivo Lf.

En las componentes de orden superior al tercer armónico también existen diferencias. Sin embargo,

dichas diferencias se reducen considerablemente.

Basándose en el estudio y análisis realizado con la luminaria LED 70621130-483, se puede determinar

que el circuito equivalente corresponde al mostrado en la fila “B” de la figura 4.5.


115




AC de la fuente de alimentación de la luminaria LED 70621130-483 con una regulación del flujo lumínico del


Se toman las medidas de las ondas de tensión y corriente superpuestas con una reducción en el flujo

lumínico del 50% (véase en la figura 4.50).

Realizando el análisis pertinente, se observan similitudes respecto a la regulación del flujo lumínico

estudiado anteriormente para esta misma CNL, siendo las siguientes:

Forma en la onda de corriente prácticamente sinusoidal.

Obtención del mismo resultado en el ciclo de trabajo (D = 1) e idéntica línea de regresión.

Memoria

116


50%

Figura 4.51. Espectro armónico de la luminaria LED 70621130-483 con regulación del flujo lumínico del 50%: En

el gráfico superior se muestran las distorsiones armónicas individuales de la corriente filtrada en función del

orden del armónico. En el gráfico inferior se muestran los ángulos de fase de las componentes armónicas de la

corriente filtrada.

A priori, no se aprecian grandes diferencias al comparar entre las distorsiones armónicas individuales

con flujo lumínico del 50% y 100%.

Sin embargo, en el siguiente apartado se realiza la comparativa entre dichas distorsiones armónicas

individuales, con la finalidad de determinar numéricamente si existen diferencias significativas.

Para concluir este apartado, se calcula la diferencia entre el valor eficaz total de la corriente

(I=0,0339A) y la corriente fundamental (I1=0,0335A).

mAII 4,00335,00339,01 (4.26)




117

Comparativa entre espectros armónicos con distinto flujo lumínico

Se requiere determinar el resultado en tanto por ciento de la disminución presentada en la corriente

fundamental y en el valor eficaz total de la corriente al ser reducido el flujo lumínico en la CNL. Para

obtener dichos resultados, se emplean las ecuaciones mostradas a continuación:

Disminución de la componente fundamental en corriente

%83,551000600,0

0335,0100%

%100

%50

1

1

1

flujo

flujo

I

II

(4.27)

%17,4483,55100%% 1%1001 II (4.28)

Disminución del valor eficaz en corriente

%85,551000607,0

0339,0100%

%100

%50

flujo

flujo

I

II

(4.29)

%15,4485,55100%%%100 II (4.30)

Con los resultados obtenidos se comprueba que la disminución del valor eficaz de la corriente

fundamental y el valor eficaz total de corriente es inferior al 50% habiendo reducido hasta la mitad el

flujo lumínico de la carga.

A continuación, se calcula la disminución de THDi al ser reducido el flujo lumínico al 50%.

%7,07,1515%50%100 THDiTHDi (4.31)

Memoria

118

Figura 4.52. Aumento de la THDi al disminuir el flujo lumínico en la luminaria LED 70621130-483.

Observando el resultado de la ecuación 4.31, se deduce que la distorsión armónica total de la

corriente aumenta un 0,7% al reducir el flujo lumínico.


Datos técnicos

Tabla 4.17. Datos técnicos de la luminaria LED 72523030-983.

Datos técnicos


100-240V / 50-60Hz 14W 1200lm 30000 h

En la tabla 4.17, se observan los datos técnicos más relevantes de la luminaria LED 72523030-983.




119



AC de la fuente de alimentación de la luminaria LED 72523030-983, mediante el osciloscopio digital Tektronix.

Al analizar la onda de corriente, se observa que se asemeja a una señal sinusoidal. Por lo tanto, en el

lado AC de la fuente de alimentación se ha hecho uso de un filtro inductivo Lf con el objetivo de

aminorar los efectos de los armónicos y de esta forma, evitar daños en la instalación eléctrica y en la

CNL.




positivo de 50,4° respecto a la tensión. Dado el ángulo de fase existente entre corriente y tensión, se

puede observar que hay mayor desequilibrio que en el resto de CNL que presentan ondas de

corriente prácticamente sinusoidales.


120

20

ms

ms

TD

(4.32)


periodo.

Memoria

120

Figura 4.54. Línea de regresión τ vs T de la luminaria LED 72523030-983.




Otra observación a destacar es la presencia de ruido eléctrico en la onda de corriente, ya que a lo

largo de todo el periodo se visualizan transitorios de hasta 50mA.


Figura 4.55. Espectro armónico de la luminaria LED 72523030-983: En el gráfico superior se muestran las



τ = T R² = 1

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20

τ *m

s]

T [ms]



121




obtenido con el código Matlab de la THDi, siendo éste un valor del 18,8%. Con este resultado, se

puede afirmar que la luminaria LED 72523030-983 es contaminante, según los límites de distorsión

armónica totales en corriente recomendados por los fabricantes de las CNLs.



mAII 10597,00607,01 (4.33)



Conclusiones


individuales de la corriente) y formas de onda en corriente mostrados en el apartado 4.3 y

seleccionar la pareja que presenta más similitudes respecto a lo obtenido con Matlab y con el

osciloscopio digital. Al realizar las observaciones pertinentes, se concluye que la pareja de formas de

onda en corriente y espectro armónico que más se asemeja corresponde al “Rectificador Monofásico

B” de la figura 4.5.

Basándose en el estudio y análisis realizado con la luminaria LED 72523030-984, se puede determinar

que el circuito equivalente corresponde al mostrado en la fila “B” de la figura 4.5.

Videograbador Alert 8901109-39

Datos técnicos

Tabla 4.18. Datos técnicos del Videograbador Alert 8901109-039.

Datos técnicos

Tensión de red Potencia Tensión de salida

100-240V / 50-60Hz 20W 12V

En la tabla 4.18, se observan los datos técnicos más relevantes del Videograbador Alert 8901109-039.

Memoria

122




Figura 4.56. Captura de las ondas de corriente y tensión superpuestas obtenidas midiendo en el lado de AC de la

fuente de alimentación del Videograbador Alert 8901109-039, mediante el osciloscopio digital Tektronix.

La onda de corriente mostrada en la figura 4.56, tiene la misma forma que la de la luminaria de pared

70731133-884, es decir, la típica forma de onda pulsante. Por tanto, en gran parte del período la

intensidad es prácticamente nula. Dada la forma de onda observada en la figura 4.56, se puede

comprobar que presenta las mismas características que la de un Rectificador Monofásico con filtro

capacitivo (sin filtro inductivo Lf).

En este caso, el intervalo de tiempo en el que la onda de corriente permanece activa es de 1,6 ms

para cada uno de los semiperiodos (positivo y negativo). Con el conocimiento de este dato, se puede

determinar el cálculo del ciclo de trabajo (ver ecuación 4.34).

16,020

6,1

ms

ms

TD

(4.34)

Con el resultado obtenido, se deduce que la onda de corriente permanece inactiva en prácticamente

la totalidad del período.


123

Figura 4.57. Línea de regresión τ vs T del Videograbador Alert 8901109-039.







activos, se deduce a través de “dT=1,6 ms” y “dτ=1,6 ms”. En estos intervalos de tiempo la relación

entre ambas variables es lineal.



corriente.

y = 0,0012x + 0,1233 R² = 0,0004

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 5 10 15 20

τ *m

s]

T [ms]


dT dT

dτ

dτ

Memoria

124


Figura 4.58. Espectro armónico del Videograbador Alert 8901109-039: En el gráfico superior se muestran las




armónico más significativo es el de tercer orden, llegando al 85%. De igual forma que en la luminaria

de pared 70731133-884, los armónicos de tercer orden son muy elevados. Los efectos negativos al

circular componentes armónicas múltiplos de tres en la onda de corriente y tensión, son los

argumentados en el estudio realizado en la luminaria de pared 70731133-884.

También son significantes las distorsiones armónicas individuales de la corriente de quinto, séptimo y

noveno orden, llegando al 81%, 76% y 68% respectivamente.


resultado de la THDi (tasa de distorsión armónica total en corriente). Tal y como se puede observar

en la parte superior de la figura 4.58, el código Matlab es capaz de proporcionar dicho resultado,

siendo en este caso un valor comprendido del 188,9%. Por lo tanto, se puede afirmar que esta CNL es

muy contaminante, superando los valores recomendados por los fabricantes.




125

mAII 8,770683,01461,01 (4.35)

Dada la elevada magnitud del resultado (ecuación 4.35) y que la distorsión armónica total de la

corriente tiene una tasa superior al 100%, se puede determinar que el conjunto de componentes

armónicas superan a la corriente fundamental.

Conclusiones


individuales de la corriente) y formas de onda de corriente mostrados en el apartado 4.3 y

determinar que pareja es la que presenta más similitudes respecto a lo obtenido con Matlab y con el


onda de corriente y espectro armónico que más se asemeja corresponde al “Rectificador Monofásico

A con filtro capacitivo” (sin filtro inductivo Lf) de la figura 4.5.

Basándose en el estudio y análisis realizado con el Videograbador Alert 8901109-039, se puede

determinar que el circuito equivalente corresponde al mostrado en la fila “A”de la figura 4.5.

Huawei P9 Lite

Datos técnicos

Tabla 4.19. Datos técnicos del Huawei P9 Lite.

Datos técnicos

Tensión de red Intensidad de

entrada Intensidad de

salida Tensión de

salida

100-240V / 50-60Hz 0,2A 1A 5V

En la tabla 4.19, se observan los datos técnicos más relevantes del Huawei P9 Lite. Esta CNL es un

dispositivo de telefonía móvil (smartphone).



Memoria

126


Figura 4.59. Captura de las formas de onda de corriente y tensión superpuestas obtenida midiendo en el lado de

AC de la fuente de alimentación del Huawei P9 Lite, mediante el osciloscopio digital Tektronix.

La onda de corriente mostrada en la figura 4.59, tiene la misma forma que la de la luminaria de pared

70731133-884 y que la del Videograbador Alert 8901109-039, es decir, la típica forma de onda

pulsante. Por tanto, en gran parte del período la intensidad es prácticamente nula. Dada la forma de

onda observada en la figura 4.59, se puede comprobar que presenta las mismas características que la

de un Rectificador Monofásico con filtro capacitivo (sin filtro inductivo Lf).




16,020

2·6,1

ms

ms

TD

(4.36)


la totalidad del período.


127

Figura 4.60. Línea de regresión τ vs T del Huawei P9 Lite.







activos, se deduce a través de “dx=1,6 ms” y “dy=1,6 ms”. En estos intervalos de tiempo la relación




corriente.

τ = 0,0012T + 0,1233 R² = 0,0004

0

0,5

1

1,5

2

0 5 10 15 20

τ *m

s]

T [ms]


dT

dτ

dT

dτ

Memoria

128


Figura 4.61. Espectro armónico del Huawei P9 Lite: En el gráfico superior se muestran las distorsiones armónicas

individuales de la corriente filtrada en función del orden del armónico. En el gráfico inferior se muestran los

ángulos de fase de las componentes armónicas de la corriente filtrada.


armónico más significativo es el de tercer orden, llegando al 98%. El resto de componentes

armónicas, también tienen tasas desproporcionadas. En definitiva, los smartphones son una de las

CNLs con mayor magnitud de distorsión armónica de corriente y tensión (THDu=1,21%) que hay en la

actualidad.








mAII 7,310287,00604,01 (4.37)


129




Conclusiones

Por último, se pretende observar cada uno de los espectros armónicos y formas de onda de corriente

mostrados en el apartado 4.3 y determinar que pareja es la que presenta más similitudes respecto a

lo obtenido con Matlab y con el osciloscopio digital. Al realizar las observaciones pertinentes, se

concluye que la pareja de formas de onda de corriente y espectro armónico que más se asemeja

corresponde al “Rectificador Monofásico A” con filtro capacitivo (sin filtro inductivo Lf) de la figura

4.5.

Basándose en el estudio y análisis realizado con el Huawei P9 Lite, se puede determinar que el

circuito equivalente corresponde al mostrado en la fila A de la figura 4.5.

Memoria

130

PC portátil Asus

Datos técnicos

Tabla 4.20. Datos técnicos del PC portátil Asus.

Datos técnicos

Tensión de red Intensidad de

entrada Intensidad de

salida Tensión de

salida

100-240V / 50-60Hz 1A 2,37A 19V

En la tabla 4.20, se observan los datos técnicos más relevantes del PC portátil Asus.




Figura 4.62. Captura de las formas de onda de corriente y tensión superpuestas obtenida midiendo en el lado de

AC de la fuente de alimentación del PC portátil Asus, mediante el osciloscopio digital Tektronix.

La onda de corriente mostrada en la figura 4.62, tiene la misma forma que alguna de las CNLs ya

estudiadas anteriormente, es decir, la típica forma de onda pulsante. Por tanto, en gran parte del

período la intensidad es prácticamente nula. Dada la forma de onda observada en la figura 4.62, se

puede comprobar que presenta las mismas características que la de un Rectificador Monofásico con

filtro capacitivo (sin filtro inductivo Lf).


131




16,020

2·6,1

ms

ms

TD

(4.38)


la totalidad del periodo.

Figura 4.63. Línea de regresión τ vs T del PC portátil Asus.







activos, se deduce a través de “dx=1,6 ms” y “dy=1,6 ms”. En estos intervalos de tiempo la relación




corriente.


τ = 0,0012T + 0,1233 R² = 0,0004

0

0,5

1

1,5

2

0 5 10 15 20

τ *m

s]

T [ms]


dT

dτ

dT

dτ

Memoria

132

Figura 4.64. Espectro armónico del PC Portátil Asus: En el gráfico superior se muestran las distorsiones

armónicas individuales de la corriente filtrada en función del orden del armónico. En el gráfico inferior se

muestran los ángulos de fase de las componentes armónicas de la corriente filtrada.


armónico más significativo es el de tercer orden, llegando al 95%. El resto de componentes

armónicas, también tienen tasas desproporcionadas. En definitiva, los PCs portátiles son una de las

CNLs con mayor magnitud de distorsión armónica de corriente y tensión (THDu=1,24%) que hay en la

actualidad.








mAII 7,1631259,02896,01 (4.39)


133




Conclusiones


individuales de la corriente) y formas de onda de corriente mostrados en el apartado 4.3 y

determinar que pareja es la que presenta más similitudes respecto a lo obtenido con Matlab y con el


onda de corriente y espectro armónico que más se asemeja corresponde al “Rectificador Monofásico

B” con filtro capacitivo (sin filtro inductivo) de la figura 4.5.

Basándose en el estudio y análisis realizado con el PC portátil Asus, se puede determinar que el

circuito equivalente corresponde al mostrado en la fila “A” de la figura 4.5.

4.4.4. CNLs con arcos de descarga

Lámparas de descarga OSRAM con balasto electrónico

Datos técnicos

Tabla 4.21. Datos técnicos de las lámparas de descarga con balasto electrónico.

Datos técnicos

Tensión de red Intensidad

nominal λ

Potencia máx. de las lámparas de

descarga Flujo lumínico

220-240V / 50-60Hz 0,17A 0,96 18W 1300lm

En la tabla 4.21, se observan los datos técnicos más relevantes de la lámpara de descarga OSRAM con

balasto electrónico.



En esta medida, ha sido obligatoria la conexión de 2 lámparas de descarga de 18W al balasto

electrónico. Para el encendido de las lámparas de descarga, se requiere de una carga mínima para

que el balasto electrónico pueda proporcionar los niveles de sobretensión necesarios y se produzca el

Memoria

134

arco de descarga entre los dos electrodos de dichas luminarias. Después del encendido, el balasto

electrónico actúa como limitador de corriente.


Figura 4.65. Captura de las formas de onda de corriente y tensión superpuestas obtenida midiendo en el lado AC

del balasto electrónico, mediante el osciloscopio digital Tektronix.

La forma de onda de corriente mostrada en la figura 4.65, es prácticamente sinusoidal.




positivo de 14,4° respecto a la tensión.


120

20

ms

ms

TD

(4.40)


periodo.


135

Figura 4.66. Línea de regresión τ vs T de la lámpara de descarga con balasto electrónico.






corriente.


Figura 4.67. Espectro armónico de las lámparas de descarga OSRAM con balasto electrónico: En el gráfico

superior se muestran las distorsiones armónicas individuales de la corriente filtrada en función del orden del

armónico. En el gráfico inferior se muestran los ángulos de fase de las componentes armónicas de la corriente

filtrada.

τ = T R² = 1

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20τ

*ms]

T [ms]


Memoria

136

Es muy poco frecuente ver un este espectro armónico como el representado en el gráfico superior de

la figura 4.67, dado que en la gran mayoría de las veces, los armónicos de corriente disminuyen a

medida que aumenta el rango de frecuencia.

Los armónicos de corriente que presentan mayor relevancia, son los de tercer y quinto orden. Las

tasas de dichos armónicos son de baja magnitud y se sitúan en el 5% y 3% respectivamente.



puede afirmar que la lámpara de descarga con balasto electrónico no es contaminante, según los

límites de distorsión armónica totales en corriente recomendados por los fabricantes de las CNLs.



mAII 5,01674,01679,01 (4.41)


fundamental son de baja magnitud.

Conclusiones

El circuito equivalente de las luminarias de descarga OSRAM con balasto electrónico, es el mostrado

en la figura 4.20.

Las grandes ventajas que tienen los balastos electrónicos es que no se produce efecto estroboscópico

en las lámparas de descarga y además no perturban la calidad de onda en tensión de la red.

Lámparas de descarga OSRAM con balasto magnético

Datos técnicos

Tabla 4.22. Datos técnicos de la lámpara de descarga con balasto magnético

Datos técnicos

Tensión de red Potencia máx. de

la lámpara de descarga

Flujo lumínico

230V / 50Hz 18W 1300lm


137

En la tabla 4.22, se observan los datos técnicos más relevantes de la lámpara de descarga OSRAM con

balasto magnético.




Figura 4.68. Captura de las formas de onda de corriente y tensión superpuestas obtenida midiendo en el lado AC

del balasto magnético, mediante el osciloscopio digital Tektronix.

En la figura 4.68, se aprecia una forma de onda en corriente distorsionada. A lo largo del período, se

producen fluctuaciones de corriente que oscilan entre los 0,5Hz y los 1,5Hz.

Figura 4.69. Balasto magnético utilizado para medir la forma de onda en tensión y corriente superpuestas de la

lámpara de descarga OSRAM.

Memoria

138

No hay desfase entre la onda de tensión y corriente al compensar el factor de potencia mediante la

conexión en serie del capacitor (componente eléctrico que integra la reactancia) con la reactancia

inductiva y la lámpara de descarga. En la figura 4.69, se muestra el esquema eléctrico equivalente de

la lámpara de descarga OSRAM con balasto magnético.


120

20

ms

ms

TD

(4.42)


periodo.

Figura 4.70. Línea de regresión τ vs T de la lámpara de descarga con balasto magnético.




Por otra parte, cabe destacar la presencia de ruido eléctrico en la onda de corriente. El ruido


corriente.

τ = T R² = 1

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20

τ *m

s]

T [ms]



139


Figura 4.71. Espectro armónico de la lámpara de descarga OSRAM con balasto magnético: En el gráfico superior

se muestran las distorsiones armónicas individuales de la corriente filtrada en función del orden del armónico. En

el gráfico inferior se muestran los ángulos de fase de las componentes armónicas de la corriente filtrada.

De igual manera que en la CNL con balasto electrónico, los armónicos de corriente disminuyen a

medida que aumenta el rango de frecuencia (véase en el gráfico superior de la figura 4.71), lo cual es

muy inusual.

Los armónicos que presentan mayor relevancia, son los de tercer y decimotercer orden. Las tasas de

dichos armónicos son del 15%.



puede afirmar que la lámpara de descarga con balasto electrónico es contaminante, según los límites

de distorsión armónica totales en corriente recomendados por los fabricantes de las CNLs.



mAII 3,41335,01378,01 (4.43)


fundamental son de baja magnitud.

Memoria

140

Conclusiones

El circuito equivalente de las luminarias de descarga OSRAM con balasto magnético, es el mostrado

en la figura 4.20.

Aunque la tasa global de distorsión armónica en corriente no es muy elevada, su principal amenaza

es la enorme cantidad de luminarias que suelen estar presentes en los edificios y oficinas, por lo que

en este caso aumenta la cantidad de armónicos.

En estas luminarias se produce un efecto óptico llamado “estroboscópico”. Se sabe que la corriente

alterna se interrumpe dos veces por período, por lo tanto, para una frecuencia normal de 50Hz, lo

hará cien veces en un segundo.

Cuando la tensión aplicada a los electrodos se anula, no circula corriente por la CNL, con lo que ésta

tiende a apagarse, pero antes de que lo haga, la tensión vuelve a tomar un determinado valor y se

producen fluctuaciones luminosas muy rápidas.

Aunque normalmente el ojo humano no percibe este efecto, lo cierto es que una persona está

sometida a un esfuerzo suplementario debido a la adaptación forzada a dichas fluctuaciones.

Para eliminar el efecto estroboscópico, se recomienda realizar la conexión dual (explicado en el

apartado 4.3.6).


141

5. Auditoría eléctrica en una instalación con cargas no

lineales

5.1. Objetivos de la auditoría

Verificar la calidad de la energía eléctrica del edificio (propiedad de la compañía Simon S.A.) ubicado

en la Calle Diputació 390-392, comprobando si se cumplen los requisitos mínimos según lo

establecido en la norma EN-50160.

Así mismo, se revisará el sistema global de la toma de tierra del edificio.

5.2. Calidad de energía eléctrica, normativa

Existen problemas de calidad de la energía eléctrica cuando hay una desviación de la tensión,

corriente o frecuencia que provoque una mala operación en los equipos de uso final. A esta

desviación se la conoce como distorsión. Las consecuencias son muy negativas para los usuarios, ya

que se deteriora su economía y bienestar.

Alguno de los efectos asociados a problemas de calidad de la energía son:

Incremento en las pérdidas de energía.

Daños a la producción, a la economía y a la competitividad empresarial.

Incremento del costo, deterioro de la confiabilidad, de la disponibilidad y del confort.

La distorsión afecta a la forma de onda en voltaje y corriente de alimentación de los equipos, dejando

de ser perfectamente sinusoidal. Se debe fundamentalmente a la conexión de CNLs en el sistema,

tales como equipos electrónicos industriales o residenciales, variadores de velocidad de motores,

televisores, computadoras, lámparas fluorescentes, LEDs, etc.

Este fenómeno puede acentuarse hasta el punto de ocasionar daños irreparables:

Sobrecalentamiento de cables conductores, motores y transformadores.

Disparo inoportuno de los interruptores automáticos.

Daños en la iluminación.

Interferencias en los equipos de comunicación.

Resonancia.

Memoria

142

Etc.

La calidad de la red eléctrica se mide por la calidad de la onda de tensión según la norma EN-50160.

La obtención de datos sobre los distintos aspectos de la calidad de la red eléctrica, implica la medida

de un gran número de parámetros y el problema viene dado en cómo resumir y compactar estos

datos de la forma más reducida posible, con tal de obtener una información representativa y

detallada sobre las posibles perturbaciones existentes.

La norma IEC-61000-4-30 propone medir distintos conceptos de forma separada:

Medida de valores de tensión, basados en el valor eficaz de ½ ciclo, indicando intervalos de

sobretensión (“swell”), subtensión (“dip”) e interrupción.

Medida de la frecuencia, promediando cada 10 segundos.

Medida de armónicos en tensión, según IEC-61000-4-7. Por lo general, se indican estadísticos

con 95% de probabilidad (valor que no ha sido rebasado más que un 5% de los ciclos).

Medida de Flicker, según IEC-61000-4-15, en intervalos de 10 minutos.

Medida del % de desequilibrio, usando las componentes fundamentales de V12, V23, V31. El

resultado se da en estadísticos con 95% de probabilidad

Figura 5.1. Tensión compuesta al medir tensión entre dos fases.

Se entiende por tensión compuesta, como el valor eficaz de la tensión que se tiene al medir entre dos

conductores activos en una instalación donde se tenga más de una fase.

La directiva europea 89/336/CEE relativa a la compatibilidad electromagnética, impone niveles

máximos de emisiones y mínimos de inmunidad para las instalaciones eléctricas y sus componentes.

Característica medioambiental:

Emisiones conducidas y radiadas, de acuerdo con EN-55011.

Inmunidad a campos radiados, de acuerdo con IEC-61000-4-3.

Inmunidad ante campos magnéticos, de acuerdo con IEC-61000-4-8.

Inmunidad conducida, de acuerdo con IEC 61000-4-6.


143

La normativa relativa a las instalaciones de baja tensión, se rige según lo establecido en el RD

482/2002, en el reglamento de baja tensión (REBT) y sus instrucciones complementarias ITCs.

5.3. Descripción instalaciones edificio

5.3.1. Edificio de oficinas y servicios de Sistemas IT

Figura 5.2. Fachada del edificio SIMON S.A. en C/ de la Diputació 390-392.

El edificio mostrado en la Figura 5.2, está ubicado en la C/ de la Diputació 390-392, 08013

(Barcelona).

Figura 5.3. Vista interior Show Room.

Memoria

144

En la Figura 5.3, se muestra la vista interior del Show Room, espacio que es aprovechado para

exponer productos de la marca SIMON, además de recibir visitas de los clientes.

5.3.2. Instalaciones técnicas del edificio

A continuación, se procede a describir las instalaciones técnicas de las cuales dispone el edificio.

Estructuración general de la instalación eléctrica en BT

La instalación en BT consta de un transformador que pertenece a la compañía eléctrica y abastece a

diferentes clientes ubicados en la misma área.

Por inaccesibilidad al centro de transformación (más adelante, se le llamará “CT”), se desconocen los

siguientes datos:

Tensión de línea, aunque presumiblemente sean 15kV en AC en el primario con conexión en

triángulo y a 400/230V en AC en el secundario con conexión en estrella.

Potencia en kVA del transformador, aunque se supone que se dispone de la suficiente

potencia para dar servicio a los Cuadros de Distribución destinados a alimentar las cargas.

Figura 5.4. Ejemplo de una placa de características de un transformador.

En la Figura 5.4, se muestra la placa de características de un transformador indicando en recuadros

de color rojo los datos que serían importantes de obtener por parte de la empresa distribuidora o

comercializadora.


145

El transformador a través de los interruptores seccionadores alimenta la totalidad de las cargas del

edificio.

Figura 5.5. Esquema unifilar de BT.

Donde:

1) Línea general de alimentación

2) Derivaciones individuales

En la Figura 5.5, se muestra de forma resumida el esquema unifilar en el que se observan los

siguientes detalles:

Línea General de Alimentación que va desde el secundario del transformador de la compañía

suministradora hasta la Centralización de Contadores. Como este edificio alberga un centro

Memoria

146

de transformación para distribución en baja tensión, los fusibles del cuadro de baja tensión

de dicho centro se utilizan como protección de la Línea General de Protección, por lo que

desempeña la función de Caja General de Protección (CGP).

Centralización de contadores.

- Contador de hasta 160kW, destinado a medir el consumo de los circuitos de Fuerza.

- Contador de hasta 80kW, destinado a medir el consumo de los circuitos de Alumbrado.

- Contador de hasta 100kW, destinado a medir el consumo de los circuitos CPD y puestos

IT.

Cuadros de Distribución.

- Cuadro de Distribución destinado a alimentar las cargas conectadas en los circuitos de

Fuerza de todas las plantas del edificio, exceptuando la planta 4.

- Cuadro de Distribución destinado a alimentar las cargas conectadas en los circuitos de

Alumbrado de todas las plantas, exceptuando la planta 4.

Conjunto de transformadores + SAIs.

- SAI destinado a alimentar las cargas de puestos IT de la planta 4.

- SAI destinado a alimentar las cargas de CPD de la planta 4.

Figura 5.6. Puntos de conexión iniciales y finales.

En la Figura 5.6, se muestran las conexiones que van desde la derivación individual hasta el punto de

consumo.

Los puestos de Sistemas IT y el Centro de procesamiento de datos (CPD) son alimentados a través de

dos SAIs distintos, con potencias de 15kVA y 45kVA respectivamente.


147

Figura 5.7. Ubicación de los Cuadros de Distribución.

En la Figura 5.7, se muestra la ubicación de los tres Cuadros Secundarios de Distribución que tiene el

edificio.

Es una instalación muy poco convencional, ya que la salida del transformador de la compañía

suministradora está diseñada para la conexión en estrella (con la conexión del neutro).

Sin embargo, el neutro no se usa en todo el edificio para alimentar cargas monofásicas, por lo que la

alimentación de cargas se realiza a través de una conexión compuesta (sistema bifásico) que da lugar

a una tensión de 230V entre fases, aunque el voltaje monopolar es de 127V.

Figura 5.8. Ángulo de fase en un sistema bifásico.

En la Figura 5.8, se observan las dos tensiones monopolares existentes en un sistema bifásico,

estando desfasadas 90° entre ambas.

La principal diferencia entre usar una conexión en estrella pero prescindiendo del neutro o usar una

conexión en triángulo sin neutro, es que se obtiene distinto voltaje monopolar.

Tensión monopolar de 230V en AC para una conexión en triángulo sin neutro.

Memoria

148

Tensión monopolar de 127V en AC para una conexión en estrella sin neutro.

Instalación del SAI en los puestos IT de la P4

En la figura 5.5, se muestra la instalación de un Cuadro Secundario de Distribución cuya función es

proporcionar suministro eléctrico en la planta 4a donde se encuentra el Departamento de Sistemas

IT.

Figura 5.9. Suministro de energía eléctrica al Cuadro Secundario de Distribución dedicado a los circuitos de CPD y

puestos IT de la planta 4.

Las derivaciones individuales, son la parte de la instalación que partiendo desde la Centralización de

Contadores, suministra energía eléctrica a cada uno de los Cuadros Secundarios de Distribución. En la

figura 5.9, se muestra un ejemplo.


149

Figura 5.10. Conectividad Trafo SALICRUT IT T-15 -> SAI SALICRU 10-DL -> Cuadro de Protección en Puestos P4

En la figura 5.10, se muestran las conexiones del transformador. Este transformador fue diseñado

para funcionar en estrella-estrella. Inclusive, no se hace uso del neutro en el primario, por lo que en

este lado del transformador se tiene una tensión compuesta de 230V.

En el secundario del transformador, se hace uso del neutro para alimentar las cargas monofásicas.

Por tanto, en el secundario del transformador se obtiene una tensión compuesta de 400V.

Tabla 5.1. Características técnicos más relevantes del Trafo SALICRUT IT T-15.

Datos técnicos

Tensión de línea en primario (V)

Tensión de fase en primario (V)

Tensión de línea en secundario (V)

Tensión de fase en secundario

(V)

Potencia transformador

(kVA)

400 230 400 230 15

En la tabla 5.1 se muestran las tensiones de línea y de fase en el primario y secundario del

transformador.

La salida del transformador alimenta al SAI de 10kVA que da servicio a los puestos IT de la P4.

Memoria

150

Figura 5.11. Placa de características del SAI SALICRU 10-DL.

En la figura 5.11 se muestra la placa de características del SAI trifásico con neutro, siendo los datos de

mayor relevancia la tensión de funcionamiento en la entrada (Input) y en la salida (Output) y la

potencia (S=10kVA y P=8kW) que soporta el equipo.

Figura 5.12. Transformador SALICRUT IT T-15 y SAI SALICRU 10-DL en Puestos IT de la P4.

En la figura 5.12, se observa el transformador y el SAI, ubicándose en un cuarto de la P4.


151

Figura 5.13. Detalle conexionado del transformador SALICRUT IT T-15 al SAI SALICRU 10-DL.

En la figura 5.13, se puede visualizar el conexionado del transformador en el primario y en el

secundario.

Se observa el cable neutro del primario (cable con aislante de color azul) desconectado y encintado.

Sin embargo, en la parte del secundario sí que se distribuye el neutro hacia el SAI de Puestos IT de la

P4.

El conductor de protección (tierra) se identifica en la figura 5.13 con el color del aislante, siendo éste

verde-amarillo. En este caso, el conductor de protección se une entre el primario y secundario y se

conecta a la masa (chasis) del equipo.

Instalación del CPD en la P4

Tabla 5.2. Características técnicas más relevantes del transformador.

Datos técnicos

Tensión de línea en primario (V)

Tensión de fase (V)

Tensión de línea en secundario (V)

Tensión de fase en secundario

Potencia transformador

(kVA)

230 127 380 230 45

La configuración que adopta el circuito de CPD es muy similar al de los puestos IT, dado que se hace

uso de un SAI para la alimentación del circuito y se conecta un transformador de 45kVA aguas arriba.

Memoria

152

Figura 5.14. Placa de características del transformador CPD en la P4.

En la figura 5.14, se muestra la placa de características del transformador.

Figura 5.15. Conexiones en el primario y secundario del transformador que alimenta el CPD en la P4.

La instalación se encuentra en una situación muy similar a la del SAI que da suministro a los Puestos

IT de la P4, es decir, un primario que se alimenta en trifásica sin la conexión del neutro y con una

tensión compuesta de 230V. En cuanto al secundario, se alimenta en trifásica con conexión del

neutro y con una tensión entre fases de 380V.


153

Figura 5.16. Conexión de la tierra unida al neutro en el transformador que alimenta al CPD en la P4.

En la figura 5.16, se observa como el conductor neutro (cable con aislante de color azul) conecta con

la tierra del primario del transformador. No se aconseja esta configuración por posibles

acoplamientos electromagnéticos que pudieran surgir entre el primario y el secundario, pudiendo

afectar negativamente el funcionamiento del circuito CPD.

Para proteger el secundario del transformador de las interferencias electromagnéticas que pudieran

haber a causa del ruido eléctrico procedente del primario, se recomienda la instalación de un

transformador de aislamiento.

Figura 5.17. Conexión del conductor neutro a tierra en un transformador de aislamiento.

Memoria

154

En la figura 5.17, se muestra el esquema eléctrico de un transformador de aislamiento en triángulo-

estrella. La pantalla electrostática utilizada en los transformadores de aislamiento, se conectan a

tierra para separar el bobinado primario del secundario. De esta forma se reduce significativamente

la capacidad entre devanados, por lo que la impedancia se incrementa en esta vía de acoplamiento y

atenúa los armónicos de elevado orden que se pueden manifestar en el bobinado secundario.

Figura 5.18. Conexiones en el devanado secundario del transformador que alimenta al CPD en la P4.

En la figura 5.18, se muestran las conexiones en el devanado secundario del transformador que

alimenta al CPD en la P4.


155

5.3.3. Instalaciones de puesta a tierra

La instalación de puesta a tierra con sistema TT (conductor neutro conectado a tierra) es la más

extendida en centros de transformación de la compañía suministradora.

Figura 5.19. Conexión de la toma de tierra en un sistema TT.

En la figura 5.19, se muestra el esquema eléctrico de un sistema de puesta a tierra TT.

Un punto de la fuente de alimentación (en el devanado secundario del transformador de la

compañía) se conecta directamente a tierra, normalmente el neutro. Todas las partes conductoras

accesibles se conectan a una toma de tierra independiente de la instalación.

Memoria

156

Figura 5.20. Camino de la intensidad de defecto en el sistema de puesta a tierra TT.

Cuando hay presencia de corrientes de fuga a tierra, los dos electrodos reflejados en la figura 5.20 se

unen eléctricamente, por lo que hará posible la realimentación en el sistema de puesta a tierra TT.

En la figura 5.20, se visualiza el camino que sigue la intensidad de defecto (o corriente de fuga a

tierra) en dicho sistema de puesta a tierra.

Ambas zonas de influencia (referidos al electrodo de la fuente y a la tierra del edificio) pueden

solaparse sin que se vea afectado el funcionamiento de los dispositivos de protección.


157

Figura 5.21. Conexión de la toma de tierra en el edificio de Simon S.A.

En la figura 5.21, se muestra la conexión de toma de tierra en el edificio de Simon S.A.

La conexión de tierra-neutro en el secundario del transformador de la compañía suministradora no se

pudo verificar, ya que no se pudo acceder al centro de transformación.

La tensión en el secundario del transformador de la compañía suministradora es de 230/127V en AC.

5.3.4. Compensación de Energía Reactiva

La instalación cuenta con un sistema de compensación de reactiva conectados en la cabecera del

cuadro de la P -1 que da servicio a la P4 y en la cabecera del cuadro de fuerza de la PB, detrás del

Show Room.

Memoria

158

Figura 5.22. Placa de características de la batería de condensadores en la P -1.

En la figura 5.22, se muestra la placa de características de la batería de condensadores ubicada en la

P -1.

La instalación de reactiva del cuadro de la P -1 es de 41,25kVAr configurado como regulador de 4

escalones, dos de 15kVAr, uno de 7,5kVAr y el restante de 3,75kVAr. Dicha configuración se deduce a

través de la placa de características.

Figura 5.23. Contactores encargados de activar las cuatro etapas.

En la figura 5.23, se observan los cuatro contactores encargados de activar las cuatro etapas.


159

En la inspección y seguimiento de la instalación de reactiva, se observó un funcionamiento anómalo,

es decir, una de las etapas estaba en ON/OFF intermitente y de forma continua, dando lugar a

transitorios de red que repercuten negativamente en la forma de onda de corriente y tensión.

Figura 5.24. Instalación de energía reactiva en la PB.

En la figura 5.24 se refleja la instalación de reactiva, conectándose a la cabecera del cuadro de fuerza

de la PB.

En esta ocasión, la instalación de reactiva consta de 6 etapas de 7,5kVAr.

5.4. Intervenciones y mediciones

A continuación se explica en que consiste el factor de potencia y factor de distorsión, ya que ayuda al

lector a entender más fácilmente lo que viene a continuación.

Factor de potencia y de desfasaje

El factor de potencia “λ” (PF) es igual a la potencia activa P respecto a la potencia aparente S:

S

PPF

(5.1)

Si la onda de corriente no fuera perfectamente senoidal, no se podría realizar el cálculo mostrado en

la expresión 5.1. En este caso, aparecería otra componente (designada con la letra D) por efecto de

Memoria

160

los armónicos que provocan una distorsión en la onda de corriente. El cálculo matemático por tanto,

sería el mostrado en la expresión 5.2.

222 DQP

PDPF

(5.2)

Este factor de potencia no debe ser confundido con el factor de desfasaje “cosϕ1” (DPF) que

representa el coseno del ángulo formado por las componentes fundamentales de la tensión y la

corriente.

1

11cos

S

PDPF

(5.3)

En el caso que las tensiones y corrientes son perfectamente senoidales, el cosϕ1 es igual al factor de

potencia.

Factor de distorsión

El factor de distorsión o factor de deformación (ν) permite definir la diferencia entre el factor de

potencia λ y el cosϕ1.

1cos

(5.4)

Cuando la forma de onda en corriente es perfectamente senoidal, el factor de distorsión es igual a 1.

eficazvalor

H

_

1

(5.5)

1

_·1cos

H

eficazvalorDPF

(5.6)


161

5.4.1. Cuadro de fuerza

Análisis del factor de desfasaje y del factor de potencia

Figura 5.25. Potencia activa vs cosϕ1.

En la figura 5.25, se observan tres trazos:

Trazo de color azul Potencia activa

Trazo de color verde Factor de desfasaje o cosϕ1

Trazo de color amarillo Factor de potencia

Los valores numéricos que aparecen en cada uno de los lados de los ejes verticales y en el eje

horizontal, indican lo siguiente:

Eje y ubicado a la izquierda Valor numérico del factor de desfasaje y factor de potencia

Eje y ubicado a la derecha Valor numérico de la potencia reactiva

Eje x horario de la medida

En la figura 5.25, se muestra la medición de la potencia activa (P) con un promedio de 70kW, el factor

de desfasaje (cosϕ1) y factor de potencia (λ).

Factor de desfasaje

El trazo de color verde representa el cosϕ1 que indica el ángulo de fase entre las componentes

fundamentales de la tensión y la corriente al medir entre dos de las fases que forma el sistema

bifásico.

Memoria

162

En la mayor parte de la medida, el cosϕ1 es igual 1. Por tanto, cuando el valor numérico del cosϕ1 se

mantiene en este valor, significa que el ángulo de fase entre las componentes fundamentales de la

tensión y la corriente es de 0°. A continuación, se demuestra matemáticamente:

11 SP (5.7)

11

11cos

S

PDPF

(5.8)

01cos1 1 (5.9)

Inclusive, se produce una variación en el cosϕ1 en un intervalo de tiempo de 6 minutos, pasando de

tener un valor de 0 a -1. Cuando el cosϕ1 es de -1, la onda de corriente se adelanta 180° respecto a la

onda de tensión.

Véase en el trazado de color verde, que la variación en el cosϕ1 (a las 15:30) se produce cuando la

demanda de potencia en la instalación alcanza los 80kW.

Factor de potencia

El trazo de color amarillo corresponde a la medida del factor de potencia de la instalación. Dicho

factor de potencia, permanece en régimen permanente a lo largo de toda la medida con un valor

negativo de 0,9. Este valor, indica el comportamiento eminentemente capacitivo en la instalación.

Factor de distorsión

El cálculo del factor distorsión o factor de deformación, indica si las formas de onda en tensión y

corriente están distorsionadas a causa de la presencia de armónicos. En la ecuación 5.10, se tienen en

cuenta los valores del factor de desfasaje y factor de potencia que permanecen en régimen

permanente en gran parte de la medida.

9,01

9,0

1cos

(5.10)


163

Como el resultado es distinto a la unidad, se deduce que la onda de corriente no tienen forma

senoidal debido a la presencia de armónicos.

Conclusiones

Debido al valor obtenido en régimen permanente del factor de potencia, se deduce que en el circuito

de fuerza no se inyecta energía reactiva inductiva en la mayor parte del tiempo debido al carácter

capacitivo existente en la instalación.

Los armónicos que circulan en la corriente causan distorsión en la forma de onda, por lo que en este

caso, se introduce una nueva variable (D) en la expresión matemática del factor de potencia. Por este

motivo, hay una amplia diferencia entre el factor de potencia y el cosϕ1.

Se recomienda la necesidad de invertir el signo del factor de potencia, es decir, lo ideal es obtener un

valor próximo a la unidad para inyectar a la red interior potencia reactiva inductiva de baja magnitud

y así, aumentar el rendimiento de los receptores conectados. Para aumentar dicho valor, es

necesario reducir la distorsión armónica total en corriente, dado que haría disminuir el valor de la

variable D.

A continuación, se explica un ejemplo práctico de lo que supone obtener un valor próximo a la

unidad en el factor de potencia:

Generación de los niveles de flujo magnético adecuados sobre los devanados del estator y

del rotor para conseguir que los motores tengan un arranque óptimo.

En último lugar, habría que averiguar si la compañía suministradora penaliza a la empresa Simon S.A.

con incrementos en el coste de la tarifa eléctrica contratada.

La penalización por consumo de energía reactiva viene contemplada en el BOE, concretamente en el

orden ITC 1723/2009 y la aplican todas las distribuidoras.

Tabla 5.3. Término de facturación de energía reactiva.

cosϕ1 Euro/kVArh

cosϕ1 < 0,95 y hasta cosϕ1 = 0,9 0,000013

cosϕ1 < 0,9 y hasta cosϕ1 = 0,85 0,017018

cosϕ1 < 0,85 y hasta cosϕ1 = 0,80 0,034037

cosϕ1 < 0,80 0,051056

Al tratarse de una instalación en BT con potencia contratada mayor a 10kW, se aplica el término de

facturación por exceso de reactiva mostrado en la tabla 5.3, contabilizándose a partir del cosϕ1.

Memoria

164

Análisis del triángulo de potencias

Figura 5.26. Comportamiento del triángulo de potencias.

En la figura 5.26, se observan tres trazados:

Trazado de color azul Potencia activa

Trazado de color verde Potencia aparente

Trazado de color rojo Potencia reactiva



Eje y ubicado a la izquierda Valor numérico de la potencia activa [W] y aparente [VA]

Eje y ubicado a la derecha Valor numérico de la potencia reactiva [VAr]


Se analiza el triángulo de potencias, es decir, la potencia activa (P), reactiva (Q) y aparente (S). Se

observa como la potencia activa y aparente están en fase en todo momento, por lo que en la mayor

parte del tiempo la potencia reactiva es nula.

Al observar en la figura 5.26, se observa poco antes de las 16:10, una inyección transitoria de

potencia reactiva a la red interior (en un intervalo de tiempo de 10 minutos) de 9kVAr inductivos. Si la

causa raíz de la inyección de energía reactiva inductiva se debiera a una compensación efectuada por

la batería de condensadores, se consideraría totalmente desproporcionada.


165

Análisis de corrientes en las fases L1, L2 y L3

Figura 5.27. Análisis de corrientes en las fases L1, L2 y L3.

En la figura 5.27, se observan tres curvas:

Trazado de color azul Intensidad en la fase L1

Trazado de color verde oscuro Intensidad en la fase L2

Trazado de color amarillo Intensidad en la fase L3

Los valores numéricos que aparecen en los ejes x e y, indican lo siguiente:

Eje y ubicado a la izquierda Valor numérico de la intensidad en las fases L1, L2 y L3


Se analizan las intensidades de las fases L1, L2 y L3 en un intervalo de tiempo de 50 minutos. Tal y

como se puede observar, hay un gran desequilibrio de corriente entre fases. Más adelante, se

explican los efectos negativos al tener un sistema desbalanceado.

Como ya se ha comentado anteriormente, en el cuadro de fuerza no se conecta el neutro para

alimentar las cargas monofásicas. Dichas cargas, se alimentan al realizar una conexión compuesta

que da lugar a una tensión de 230V entre fases.

Memoria

166

Ejemplo práctico de sistema bifásico con desequilibrio de corrientes

Figura 5.28. Ejemplo de alimentación de cargas monofásicas en un sistema bifásico.

Los sistemas bifásicos tienen un gran inconveniente, ya que resulta complejo obtener un sistema

equilibrado de corrientes cuando en la instalación hay gran multitud de cargas monofásicas

conectadas.

En la figura 5.28, se muestra como ejemplo un sistema bifásico con la conexión de dos cargas

monofásicas de 10W cada uno. La alimentación de las cargas monofásicas, se ha realizado de la

siguiente forma:

Alimentación de la carga monofásica H1 a través de las fases L1 y L3.

Alimentación de la carga monofásica H2 a través de las fases L2 y L3.

A continuación, se requiere calcular el desequilibrio de corriente:

Primeramente, se calcula el valor eficaz en corriente en cada una de las fases del sistema bifásico. De

esta forma, se podrá determinar la desviación de corriente entre fases.

mAV

PIII

LL

HLLLL 5,43

230

10''

31

13131

(5.11)

mAV

PIII

LL

HLLLL 5,43

230

10''

32

23232

(5.12)


167

mAIIII LLLLL 5,43'' 31131 (5.13)

mAIIII LLLLL 5,43''' 32232 (5.14)

mAIII LLL 875,435,43''' 333 (5.15)

mAVII

corrientedemedioValor LLL 583

875,435,43

3___ 321

(5.16)

mAILfasecorrienteDesviación L 5,145,4358581___ 1 (5.17)

mAILfasecorrienteDesviación L 5,145,4358582___ 2 (5.18)

máximamAILfasecorrienteDesviación L 295887583___ 3

(5.19)

corrientedemedioValor

corrientedemediovalordelrepectomáximaDesviaciónIasim

___

_______

(5.20)

%5010058

29asimI

(5.21)

Tabla 5.4. Resumen de los resultados obtenidos en el ejemplo práctico.

Memoria

168

Resultados obtenidos

Intensidad homopolar en fase L1 (mA)



Desequilibrio de corriente (%)

43,5 43,5 87 50

Cálculo de desviación de corriente en los circuitos de fuerza

A continuación, se calcula la desviación de corriente y tensión en los circuitos alimentados desde el

cuadro de fuerza. El sistema está desequilibrado si los resultados obtenidos son superiores a los

indicados a continuación:

El desequilibrio en corriente no debe ser superior al 10%.

El desequilibrio en tensión no debe ser superior al 3%.

Tabla 5.5. Resumen de los resultados registrados en la cabecera del cuadro de fuerza mediante la

instrumentación analizadora de redes.


Intensidad homopolar en

fase L1 (A)


fase L2 (A)

Intensidad homopolar en fase L3

(A)

210 155 191

AIII

corrientedemedioValor LLL 33,1853

191155210

3___ 321

(5.22)

67,2433,18521033,1851___ 1 LILfasecorrienteDesviación (5.23)

máximaLfasecorrienteDesviación 33,3015533,1852___ (5.24)

67,533,18519133,1853___ 3 LILfasecorrienteDesviación (5.25)


169

%36,1610033,185

33,30asimI

(5.26)

Dado el resultado obtenido, se concluye que el grado de asimetría obtenido es superior al 10%. Por lo

tanto, se considera que el sistema tiene un elevado desequilibrio en corriente.

Dada las limitaciones en la utilización del analizador de redes, no se han podido medir las tensiones

compuestas, pero es muy posible que exista una desviación entre éstas.

Efectos que producen

Los efectos negativos al tener un sistema desbalanceado en corriente y tensión, son los siguientes:

Transformadores y líneas. Para una misma carga activa, la intensidad causada por la

asimetría puede ser el doble de la que existiría en situación de simetría. Por este motivo, los

transformadores pueden bajar el rendimiento hasta un 40%.

En los motores asíncronos, se producen aumentos de temperatura por calentamiento muy

significativos para valores de Uasim superiores a un 1%. Son especialmente perjudiciales

cuando se llega a un 2% en máquinas totalmente cargadas.

En los motores síncronos, se tolera un valor de Uasim de entre un 1% y un 2%. Si los valores

son superiores a los indicados, puede ser muy perjudicial para el motor síncrono.

Equipos de regulación y control. Como señala la norma CEI 146, deben estar preparados

para aceptar un grado de asimetría en tensión de hasta el 2%. En caso de que este nivel sea

superado, su funcionamiento puede verse afectado de manera significativa.

Interferencia electromagnética conducida, produciéndose el acoplamiento desde la fuente

emisora (receptores monofásicos) hasta el transformador de la compañía suministradora a

través de los cables de alimentación.

Memoria

170

5.4.2. Cuadro de alimentación en la cabecera del cuadro de la P -1

En esta ocasión, interesa conocer el grado de distorsión en la onda de corriente que alimenta a la

sección más importante de Servicios IT en la P4, que incluye el servicio de CPD y el Servidor de

Puestos. La distorsión en la onda de corriente se mide con el resultado de las THDi.

Por este motivo, se conectó un analizador de redes en la cabecera del cuadro de la P -1, con la

finalidad de evaluar los registros obtenidos.

Análisis de distorsión armónica en la fase L1

Figura 5.29. Análisis de la distorsión armónica en la fase L1.

En la figura 5.29, se observan cuatro trazados:

Trazado de color azul Intensidad de la fase L1

Trazado de color verde HDi con frecuencia de tercer orden

Trazado de color amarillo HDi con frecuencia de quinto orden

Trazado de color azul claro HDi con frecuencia de séptimo orden

Los valores numéricos que aparecen en los ejes x e y, indican lo siguiente:

Eje y ubicado a la izquierda Valor numérico de la intensidad [A] en la fase L1

Eje y ubicado a la derecha Valor numérico de la HDi (para obtener el resultado en %, se

multiplica por cien) en la fase L1

Eje x Horario de la medida


171

Al observar las HDi reflejadas en la figura 5.29, se ve como los valores obtenidos a lo largo de la

medida no son muy elevados, pero se mantienen constantes durante las noches. Por lo tanto, dicha

distorsión armónica no depende de la carga del edificio, sino de los SAI.

Tabla 5.6. Datos registrados de distorsión armónica y límites admisibles.

Límites admisibles según

1) HDi3 registrada 2) HDi3 límite admisible

1) 2% 2) 30·λ


1) 10% 2) 10%


1) 6% 2) 7%

1) THDi registrada 2) THDi límite admisible

1) 14% 2) 10%

Donde:

λ es el factor de potencia.

En este caso las HDi con frecuencias de quinto orden son las que presentan un mayor porcentaje,

alrededor del 10%.

La media registrada en el porcentaje de la THDi, es del 14%. Tal y como se puede observar en la tabla

5.6, el resultado de la THDi excede el límite recomendado por los fabricantes, aunque la instalación

no debería de presentar un mal funcionamiento por dichas emisiones de corrientes armónicas.


Figura 5.30. Análisis de la distorsión armónica en la fase L2.

Memoria

172


Trazado de color verde caqui Intensidad de la fase L2

Trazado de color azul HDi con frecuencia de tercer orden

Trazado de color blanco HDi con frecuencia de quinto orden

Trazado de color verde claro HDi con frecuencia de séptimo orden



Eje vertical ubicado a la izquierda Valor numérico de la intensidad [A] en la fase L2

Eje vertical ubicado a la derecha Valor numérico de la HDi (para obtener el resultado en

%, se multiplica por cien) en la fase L2

Eje horizontal Horario de la medida

En la figura 5.30, se visualizan características muy similares respecto al análisis de la distorsión

armónica estudiado en la fase L1.




1) 2% 2) 30·λ


1) 9% 2) 10%


1) 6% 2) 7%


1) 14% 2) 10%

De igual manera que en la fase L1, las HDi registradas presentan un mayor porcentaje en las

frecuencias de quinto orden, alrededor del 10%. También se mantiene la distorsión armónica durante

la noche. La media registrada en el porcentaje de la THDi, es del 14%.


173


Figura 5.31. Análisis de la distorsión armónica en la L3.


Trazado de color oro Intensidad de la fase L3

Trazado de color gris HDi con frecuencia de tercer orden

Trazado de color azul claro HDi con frecuencia de quinto orden

Trazado de color blanco HDi con frecuencia de séptimo orden



Eje vertical ubicado a la izquierda Valor numérico de la intensidad [A] en la fase L3

Eje vertical ubicado a la derecha Valor numérico de la HDi (para obtener el resultado en

%, se multiplica por cien) en la fase L3





1) 1% 2) 30·λ


1) 11% 2) 10%


1) 7% 2) 7%


1) 19% 2) 10%

Memoria

174

En la figura 5.31, se observan características muy similares respecto a los análisis de distorsión

armónica estudiados en las fases L1 y L2. En este caso, la diferencia ocurre en los resultados

registrados de la THDi, siendo un valor medio en porcentaje del 19%. De igual manera que en las dos

fases estudiadas anteriormente, la THDi obtenida en la fase L3 excede el límite recomendado por los

fabricantes (véase en la tabla 5.8). Sin embargo, este valor de THDi no es lo suficientemente elevado

como para generar problemas en la instalación eléctrica.

Análisis de cosϕ inductivo vs cosϕ capacitivo

Figura 5.32. Análisis del cosϕ1 inductivo vs cosϕ1 capacitivo.

En la figura 5.32, se observan dos curvas:

Curva de color verde cosϕ1 (i)

Curva de color azul cosϕ1 (c)



Eje vertical ubicado a la izquierda Valor numérico del cosϕ1 inductivo de la instalación

Eje vertical ubicado a la derecha Valor numérico del cosϕ1 capacitivo de la instalación


En la curva de color verde, se refleja el cosϕ1 inductivo de la instalación en el que permanece en

régimen permanente en casi todo momento, excepto en un momento dado (durante el día 04/07) en

el que se observa un transitorio que modifica el valor del cosϕ1 de la unidad a 0,92. La modificación

del cosϕ1 es un indicador de la deficiente regulación de la batería de condensadores. Inclusive, las


175

consecuencias no son tan negativas como en la batería de condensadores conectada en la cabecera

del cuadro de fuerza, ya que la diferencia del cosϕ inicial y final es muy pequeña (Δcosϕ=0,7).

La causa raíz del transitorio que modifica el valor del cosϕ1 es la misma que la argumentada en el

análisis del cuadro de fuerza, es decir, por la elevada demanda de CNLs capacitivas y/o por la

deficiente compensación de reactiva de la batería de condensadores.

Figura 5.33. Análisis del cosϕ1 inductivo y del factor de potencia.

En la figura 5.33, se observan dos trazados:

Curva de color oro Factor de potencia

Curva de color verde cosϕ1 inductivo de la instalación



Eje vertical ubicado a la izquierda Valor numérico del cosϕ1 inductivo de la instalación

Eje vertical ubicado a la derecha Valor numérico del factor de potencia


El factor de potencia añade al análisis la componente de distorsión (D). Inclusive, si la distorsión

armónica es elevada el factor de potencia será inferior al cosϕ1, tal y como ocurre en esta instalación

(véase en la figura 5.33).

La diferencia que se observa entre el factor de potencia y el cosϕ1 es pequeña, debido a que el

producto entre una componente armónica en corriente por su correspondiente componente

armónica de tensión es prácticamente cero. Esto ocurre, porque normalmente la distorsión armónica

Memoria

176

total en tensión tiene una tasa muy próxima a cero y, de no ser así, significaría que la THDi es de

elevada magnitud (tasa superior al 100%).

Análisis de corrientes en las fases L1, L2 y L3

Figura 5.34. Análisis de corrientes en las fases L1, L2 y L3.


Curva de color azul Intensidad en la fase L1

Curva de color verde oscuro Intensidad en la fase L2

Curva de color rojo Intensidad en la fase L3



Eje y Valor numérico de la intensidad en las fases L1, L2 y L3


De igual forma que en la medida realizada en la cabecera del cuadro de fuerza de la PB, se observa

desbalance de corriente entre fases, aunque en menor proporción.

Cálculo de desviación de corriente en la cabecera del cuadro P -1 que alimenta el CPD

A continuación, se calcula la desviación de corriente y tensión en los circuitos alimentados desde el

cuadro de fuerza.


177

Tabla 5.9. Resumen de los resultados registrados en la cabecera del cuadro de la P -1 que alimenta el sistema

CPD.



fase L1 (A)


fase L2 (A)

Intensidad homopolar en fase L3

(A)

99,6 98,37 90,37

AIII

corrientedemedioValor LLL 11,963

37,9037,986,99

3___ 321

(5.27)

49,311,966,9911,961___ 1 LILfasecorrienteDesviación (5.28)



%97,510011,96

74,5asimI

(5.31)

Dado el resultado obtenido, se concluye que el grado de asimetría obtenido es inferior al valor límite

admisible, es decir, al 10%.

Memoria

178

Análisis de tensiones en las fases L1, L2 y L3

Figura 5.35. Análisis de tensiones compuestas.


Curva de color azul Tensión compuesta entre las fases L1 y L2

Curva de color naranja Tensión compuesta entre las fases L2 y L3

Curva de verde oscuro Tensión compuesta entre las fases L3 y L1

Los valores numéricos que aparecen en los ejes “x” e “y”, indican lo siguiente:

Eje y Valor numérico de las tensiones compuestas


En el gráfico de la figura 5.35, se observan variaciones lentas de tensión a lo largo de toda la medida.


Tabla 5.10. Tensión máxima registrada en la medida.

Cumplimiento de la normativa legal vigente

Tensión compuesta máxima registrada Margen admisible respecto

de la tensión compuesta nominal

241V 5% por encima del valor de tensión compuesta nominal

7%

En la tabla 5.10, se muestra el valor máximo de tensión compuesta registrado.


179

Al observar el gráfico de la figura 5.35, se puede comprobar que las tensiones compuestas obtenidas

a lo largo de la medida va de los 232V a los 241V (5% por encima respecto del valor nominal) por lo

que en todo momento se sobrepasa el valor de tensión nominal.

Por lo tanto, rigiéndose por la normativa legal vigente, no se sobrepasa el margen admisible (7%

respecto al valor de tensión nominal) establecido por el Reglamento de Verificaciones Eléctricas y

Regularidad en el Suministro de Energía.

Los receptores conectados en la red interior deben estar diseñados de manera que puedan funcionar

correctamente dentro de esos márgenes de variación. No obstante, hay receptores sensibles, cuyo

margen de funcionamiento correcto es inferior al indicado en las normas correspondientes. En tal

caso, es necesario anteponer a dichos receptores, dispositivos correctores inmunizadores. En el

apartado 5.5, se propone hacer uso de un regulador de tensión para proteger a los receptores

sensibles.

Análisis del triángulo de potencias y del cosϕ1

Figura 5.36. Comportamiento del triángulo de potencias y del cosϕ.


Trazado de color azul Potencia activa

Trazado de color rojo Potencia reactiva inductiva

Trazado de color azul marino Potencia aparente

Trazado de color verde cosϕ1 (i)

Los valores numéricos que aparecen en los ejes “x” e “y”, indican lo siguiente:

Memoria

180

Eje y ubicado a la izquierda Valor numérico de la potencia activa (W), reactiva inductiva

(kVAr) y aparente (VA).

Eje y ubicado a la derecha Valor numérico del cosϕ1

Eje x Horario de la medida

Al observar la figura 5.36, se observa que la inyección de potencia reactiva inductiva (Qi) a la red

interior es de baja magnitud, por lo que se obtiene un cosϕ1 próximo a la unidad. Por tanto, el valor

promedio instantáneo de potencia activa y aparente es prácticamente de la misma magnitud.

Durante el día 04/07, se observa la inyección transitoria de potencia reactiva a la red interior de

18kVAr inductivos durante un intervalo de tiempo aproximado de tres horas, reduciéndose a su vez

el valor del cosϕ1. Esta anomalía, se debe a una deficiente compensación de reactiva efectuada por

la batería de condensadores.

5.4.3. Cuadros Planta 4 y 8

Se realizaron mediciones en puntos específicos de ambos pisos donde se detectaron

funcionamientos anómalos en algunos dispositivos electrónicos, como ahora tablets, smartphones,

pantallas táctiles, etc.

Mediciones Planta 4

Analizador de Redes PQA820, de la marca HT INSTRUMENTS

Figura 5.37. Espectro armónico: Medición de componentes armónicas en tensión, en la planta 4.


181

Se hizo uso de un Analizador de Redes PQA820 de la marca HT INSTRUMENTS, para medir la

distorsión armónica individual en tensión en un rango de frecuencias que va de los 50Hz hasta los

2500Hz.

En el espectro armónico de la figura 5.37, se observan componentes armónicas en tensión de orden

par, lo cual es muy inusual. Se recuerda, que la aparición de distorsión armónica individual en tensión

de orden par, implica que la forma de onda de tensión sea asimétrica. En el próximo estudio, se

analizará la forma de onda en tensión con un Registrador de Calidad de la tensión.

Tabla 5.11. Límites de distorsión armónica en tensión según norma EN-50160 y registro obtenido de dichos

límites con el analizador de redes PQA820.

Orden del armónico

Límite admisible de distorsión armónica individual en tensión (HDuk)

Registro obtenido de distorsión armónica individual

(HDuk)

2 2% 0,95%

4 1% 0,89%

8 0,5% 0,89%

La norma EN-50160, establece los límites máximos permitidos de tasas de distorsión armónica

individual en tensión de orden par (véase en la segunda columna de la tabla 5.11). Se observa, que el

octavo armónico registrado mediante el Analizador de Redes PQA820 tiene una tasa superior al

límite establecido por la norma EN-50160.

Registrador Monofásico de Calidad de la tensión VR1710, de la marca FLUKE

Figura 5.38. Mediciones realizadas con el Registrador Monofásico de Calidad de la tensión VR1710, de la marca

FLUKE.

Memoria

182

El instrumento que se observa en la figura 5.38, permite detectar impulsos de tensión a alta

frecuencia (hasta 7kHz).

Se llevó a cabo la medición de calidad de la onda de tensión con este instrumento, el día 20/06/17

en un intervalo de tiempo de 2 horas (de 11:00h a 13:00h).

Figura 5.39. Impulso de tensión detectado mediante el Regitrador Monofásico de Calidad de la tensión VR1710,

en la planta 4.

En la onda de tensión mostrada en la figura 5.39, se visualizan impulsos de tensión a alta frecuencia

alrededor del mínimo y del máximo.

Causa que la origina

Estos impulsos de tensión detectados mediante el Registrador Monofásico de Calidad de la tensión

VR1710, se deben al funcionamiento intermitente de la batería de condensadores, dado que una de

las etapas se activa y se desactiva constantemente. Los impulsos de tensión se producen al activarse

dicha etapa a consecuencia de las características transitorias de la carga de los condensadores.

Efectos sobre los receptores

Como ya se ha comentado anteriormente, en la planta 4 se detectaron funcionamientos anómalos en

los dispositivos electrónicos, tales como tablets, smartphones, etc. Es decir, afectan a las “CNLs con

dispositivos electrónicos” constituidos por microprocesadores, pudiendo sufrir las siguientes

alteraciones:

Alteraciones en los programas.

Almacenamiento incorrecto de datos en la memoria.

Rupturas en la función de control.


183

Mediciones Planta 8

Registrador Monofásico de Calidad de la tensión VR1710, de la marca FLUKE

Se llevó a cabo la medición de calidad de la onda de tensión con este instrumento, el día 21/06/17

en un intervalo de tiempo de 4 horas y 30 minutos (de 11:00h a 15:30h).

Figura 5.40. Registro de un impulso de tensión en la planta 8.

En la onda de tensión mostrada en la figura 5.40, se visualizan impulsos de tensión a alta frecuencia

alrededor del máximo.

Figura 5.41. Impulsos de tensión registrados el día 21/06/17 de 11:00h a 15:30h con el Registrador de Calidad de

la tensión VR1710, de la marca Fluke.

En el gráfico de la figura 5.41, se muestran los impulsos de tensión registrados a lo largo de la

medida.

De 11:00h a 13:00h, se realizó la medida con la batería de condensadores conectada y dicha

anomalía eléctrica fue detectada hasta en 33 ocasiones.

Memoria

184

De 13:00h a 15:30h, se realizó la medida con la batería de condensadores desconectada, para

averiguar el origen de la anomalía eléctrica. En este rango horario, no se detectó ningún impulso de

tensión.

Se concluye que los problemas de calidad de onda, se deben al funcionamiento intermitente de la

batería de condensadores, dado que se conecta y se desconecta constantemente.

5.4.4. Medida de armónicos en los puestos IT de la P4

Se realizó la medida de distorsión armónica total en corriente y tensión en los puestos IT de la planta

4, mediante el Analizador de Redes GSC59, de la marca HT.

Figura 5.42. Medida de THDi en los puestos IT de la planta 4, mediante el Analizador de Redes GSC59, de la

marca HT.

Resultado de las distorsiones armónicas totales en tensión y corriente

El analizador de redes se conecta en la entrada del SAI SALICRU 10-DL de 10kVA.

En la pantalla del Analizador de Redes GSC59 (véase en la figura 5.42), se refleja el resultado de la

distorsión armónica total en corriente, siendo una tasa del 77,6%. Este resultado sobrepasa el límite

máximo de distorsión armónica en corriente, según las recomendaciones estipuladas por los


185

fabricantes de las CNLs y causa la saturación en el transformador SALICRUT IT T-15 de 15kVA por

debajo de su potencia nominal.

Por otra parte, la distorsión armónica total en tensión tiene una tasa del 10%, es decir, sobrepasa el

límite máximo admisible de distorsión armónica en tensión, según las recomendaciones estipuladas

por los fabricantes de las CNLs. Con este resultado, se deduce que la red interior está altamente

contaminada, por lo que no hay una buena calidad de onda en tensión.

Solicitud de información al fabricante del SAI SALICRU 10-DL

Se solicitó al fabricante del SAI, las especificaciones de origen de niveles de generación de armónicos,

aunque no se obtuvo respuesta. Se detectó un sobrecalentamiento en el SAI a consecuencia de la

elevada distorsión armónica total en corriente.

Detección de armónicos de orden par

También se detecta la presencia de componentes armónicas de orden par. En la figura 5.43, se refleja

el resultado de la tasa de distorsión armónica individual en corriente de segundo orden, siendo éste

de un 11,8% (tasa de elevada magnitud).

Figura 5.43. Medida de las formas de onda en corriente y tensión en la entrada del SAI SALICRU 10-DL mediante

el Analizador de Redes GSC59: Asimetría en la forma de onda en corriente. Achatamiento en la parte superior e

inferior de la forma de onda en tensión.

Memoria

186

En el estudio capítulo 2, se argumenta que la asimetría en la forma de onda en corriente se debe a la

existencia de componentes armónicas de orden par.

En la figura 5.43, se observa claramente la asimetría en la forma de onda en corriente. En el

semiperiodo positivo de dicha onda, se producen dos oscilaciones de distinta magnitud y además, se

observa un paso irregular por el punto de referencia (I=0A).

Achatamiento en la forma de onda en tensión

En la figura 5.43, se observa en la parte superior e inferior de la forma de onda en tensión un

achatamiento, debido a:

Funcionamiento intermitente de la batería de condensadores, encargada de corregir el

factor de potencia y el cosϕ1 de los puestos IT de la planta 4. La conexión de la batería de

condensadores, causa impulsos de tensión a consecuencia de las características transitorias

de la carga de un capacitor.

Elevada distorsión armónica total en corriente procedente del SAI SALICRU 10-DL. Cuando en

un circuito eléctrico hay niveles de distorsión armónica total en corriente de elevada

magnitud, causan deformación en la forma de onda en tensión.

Consecuencias del achatamiento en la forma de onda en tensión

Las consecuencias de la deformación de onda de tensión pueden ser muy negativas para el equipo

generador de armónicos (SAI SALICRU 10-DL). Al no alcanzar el valor de pico adecuado en la onda

de tensión, provoca un mal funcionamiento en los puentes de diodos del Rectificador Trifásico del SAI

SALICRU 10-DL. Esto fuerza los diodos rectificadores, reduciendo su vida útil.

5.5. Acciones propuestas

Término de facturación por exceso de energía reactiva e impulsos de tensión

Comprobar si la compañía eléctrica aplica el término de facturación por exceso de reactiva en las

facturas eléctricas a causa de los transitorios observados en el cosϕ1.

En caso de que así sea, se recomienda desinstalar las baterías de condensadores y averiguar si

repercute en el valor del cosϕ1.


187

Si no repercutiera en dicho valor, se recomienda desconectar igualmente estas baterías de

condensadores, dado que su funcionamiento es intermitente y debido a esto, se produce un

deterioro en la forma de onda en tensión (impulsos de tensión en la parte superior e inferior de la

onda).

Si la desinstalación de las baterías de condensadores repercutiera negativamente en el valor del

cosϕ1, se recomienda realizar un estudio más profundo. Este estudio consistiría en recalcular la Qc

para sobredimensionar adecuadamente la compensación del factor de potencia y el cosϕ1.

Variaciones lentas de tensión

En el gráfico de la figura 5.35, se observan variaciones lentas de tensión, llegando en algunos casos a

amplitudes de 241V.

Los receptores deben de estar diseñados para que funcionen dentro de unos márgenes de variación,

según la normativa legal vigente. No obstante, existen algunos receptores sensibles, cuyo margen de

funcionamiento es inferior al indicado en las normas correspondientes.

Para proteger a los receptores de las variaciones lentas de tensión, se recomienda instalar en la parte

de la instalación afectada (cuadro que alimenta puestos IT y CPD) un regulador automático de

tensión bifásico con S>55kVA.

Su función es reducir los márgenes de variación del valor eficaz de la tensión de alimentación del

receptor.

Figura 5.43. Variación del valor eficaz de la tensión de alimentación en la salida del regulador.

El regulador de tensión debe de cumplir que (U2-U0)< (U1-U0), de forma que el margen de variación a

la salida del mismo sea lo suficientemente pequeño como para que no afecte al funcionamiento

correcto del receptor sensible.

Memoria

188

La variación de la relación de transformación a través del circuito de control le permite mantener la

tensión de salida U2 prácticamente constante.

El tiempo de respuesta del regulador, es decir, la duración mínima de la variación en la entrada

dependerá de la tecnología utilizada. El tiempo menor se consigue con los que están controlados

electrónicamente mediante tiristores, Triacs, etc.

Con los reguladores de tensión, se pueden lograr reducciones del margen de variación de entrada

desde un 15%, a valores comprendidos entre 3% y 7%.

Desequilibrios de corriente en los circuitos de fuerza

En las medidas realizadas en la cabecera del cuadro que alimenta los circuitos de fuerza, se han

detectado desequilibrios de corriente.

Para disminuir el grado de asimetría se propone repartir las cargas monofásicas, consiguiendo una

distribución más homogénea entre las fases.

Exceso de distorsión armónica total en corriente en SAI SALICRU 10-DL

Se detectó al realizar mediciones mediante instrumentación analizadora de redes, que el SAI SALICRU

10-DL origina distorsiones armónicas totales en corriente muy elevadas.

La IEC (International Electrotechnical Comission) y el CENELEC (Comité Europeo de Normalización

Electrotécnica) han establecido normas que limitan perturbaciones de baja frecuencia en redes

industriales y domésticas, como las normas IEC 61000 y EN 61000.

La IEC exige en su estándar IEC 61000-3-2 que los fabricantes limiten el consumo de armónicos de

corriente de sus productos. Este estándar se aplica a todas las cargas monofásicas y trifásicas de

menos de 16A por fase. Los productos deben certificarse en laboratorios autorizados para asegurar

que cumplen el IEC 61000-3-2, efectivo desde el 1 de enero del 2001.

El estándar clasifica las cargas eléctricas en cuatro grupos. En el caso del SAI SALICRU 10-DL, al ser un

equipo trifásico, se clasifica como equipo de clase A.


189

Tabla 5.12. Límites de corrientes armónicas para equipos de Clase A.

Orden impar h Máximo valor de

corriente permitido Orden par h

Máximo valor de corriente permitido

(A)

2 2,3 2 1,08

5 1,14 4 0,43

7 0,77 6 0,3

9 0,4 8-40 0,23*8/h

11 0,33

13 0,21

15-39 0,15*15/h

En la figura 5.42, se observa que el valor eficaz en corriente del segundo armónico es de 1,4A. Es

decir, supera el límite admisible según la IEC 61000-3-2.

Por tanto, se recomienda contactar con el fabricante del SAI SALICRU 10-DL y exigirles que eliminen

los excesos de armónicos que perjudican el resto de la instalación.

Memoria

190

6. Presupuesto

Capítulo 1 Elaboración del proyecto

Unidades Cantidad

Precio Unitario (€/h)

Precio total (€)

Búsqueda de información h 150 30 4500

Inspección de la instalación eléctrica h 198,5 30 5955

Mediciones con cargas no lineales h 30 30 900

Redacción del documento h 300 30 9000

Total Capítulo 1 20355

Capítulo 2 Material de ensayos e

inspecciones

Unidades Cantidad

Precio Unitario (€/h)

Precio total (€)

Alquiler de osciloscopio digital h 30 40 1200

Alquiler sonda de tensión y corriente h 30 20 600

Alquiler analizador de redes h 192 40 7680

Alquiler de registrador monofásico de Calidad de la Tensión

h 6,5 35 227,5

PCs portátiles un 2 650 1300

Licencia Microsoft un 1 350 350

Licencia Matlab un 1 350 350

Licencia AutoCad un 1 350 350

Total Capítulo 2 12057,5

Resumen Precio Total (€)

Capítulo 1 20355

Capítulo 2 12057,5

Subtotal Presupuesto 32412,5

Costes indirectos (10%) 3241,25

Total Bruto 35653,75

IVA (21%) 7487,2875

Total 43141,0375


191

7. Análisis de impacto ambiental

En este capítulo, se resumen las consecuencias y los efectos negativos que ocurren, cuando las

formas de onda en corriente y tensión que alimentan a los diversos receptores conectados en las

instalaciones eléctricas de los usuarios, presentan alguno de los diferentes tipos de anomalía eléctrica

estudiados en este TFG.

Memoria

192


193

Conclusiones

La elaboración del código Matlab, permite al usuario determinar las tasas de distorsión armónica

totales en corriente y tensión de cualquier CNL al realizar un tratamiento con los datos registrados de

las formas de onda en tensión y corriente medidas mediante el osciloscopio digital Tektronix DPO

3034. Con los resultados obtenidos, se deduce su cumplimiento de acuerdo con lo establecido en la

normativa legal vigente, refiriéndose a los límites de emisiones de corriente armónica.

Por tanto, esta herramienta permite descomponer mediante el desarrollo de Fourier, la componente

armónica fundamental de la señal medida y las componentes armónicas de orden superior en un

rango de frecuencias que va desde los 50Hz hasta los 125kHz.

El código Matlab además, permite visualizar lo siguiente:

Espectro armónico: Distorsiones armónicas individuales de la corriente filtrada en función del

orden del armónico.

Espectro armónico: Ángulos de fase de las componentes armónicas de la corriente filtrada.

En el espectro armónico, se reflejan los resultados del valor eficaz total en corriente y de la

componente fundamental y permite deducir el grado de distorsión armónica a través de la

THDi.

Formas de onda en corriente y tensión medidas mediante el osciloscopio digital Tektronix

DPO 3034.

Formas de onda en corriente y tensión filtradas al fijar un valor “k” determinado en uno de

los segmentos del código Matlab.

En lo que se refiere a la Auditoría Eléctrica en el edificio de Simon S.A., se han detectado las

siguientes anomalías eléctricas al realizar las medidas en diversos puntos de la instalación mediante

los Analizadores de Redes y el Registrador Monofásico de Calidad de la tensión:

Impulsos de tensión a causa del funcionamiento intermitente de la batería de condenadores.

Desequilibrios de corriente entre fases del 16,36%, es decir, excediendo el límite admisible.

Variaciones en el cosϕ1 y factor de potencia eminentemente capacitivo.

Inyecciones transitorias de energía reactiva inductiva a la red interior.

Variaciones lentas de tensión con valores de cresta que pueden llegar a averiar receptores

sensibles, dado que en algunos casos el margen de funcionamiento correcto respecto del

valor de tensión nominal es inferior al indicado por la normativa legal vigente.

Elevada generación de armónicos en SAI SALICRU 10-DL, registrando una tasa de distorsión

armónica total en corriente del 77,6% mediante la instrumentación analizadora de redes.

Memoria

194

Éste, produce efectos muy negativos en la calidad de onda de tensión, llegando a aplanar la

parte superior e inferior de dicha onda.

En el apartado 5.5 de acciones propuestas, se proponen una serie de recomendaciones para tratar de

aminorar los efectos negativos de las anomalías eléctricas detectadas en diversos puntos de la

instalación.

En el capítulo 6 se muestra el coste total de este TFG, siendo de 43.141,04€. En el presupuesto, se

han llevado a cabo los cálculos teniendo en cuenta el coste del alquiler de la instrumentación usada

para los ensayos e inspecciones y por último, la elaboración del documento.


195

Bibliografía

*1+ O. Boix, L. Sainz, F. Córcoles, F. J. Suelves, “Tecnología Eléctrica”, Cano Pina S.L. - Ediciones Ceysa,

Barcelona, Septiembre 2002, ISBN 84-86108-23-3.

[2] A. A. Pérez, N. Bravo, M. Llorente, La amenaza de los armónicos y sus soluciones, Paraninfo S.A. -

Ediciones Thomson- Paraninfo, Madrid, 2000, ISBN 84-283-2737-8.

[3] Comité de Distribución - Comisión Técnica, Guía sobre la calidad de onda en las redes eléctricas,

Madrid, 1996.

[4] Cuong D. Le, Math H. J. Bollen, Irene Y. H. Gu, A Method to Evaluate Harmonic Model-Based

Estimations under Non-White Measured Noise, IEEE - 2011 Trondheim PowerTech.

[5] L. Sainz, Calidad del suministro e integración de renovables en la red, Apuntes de Master en

Ingeniería de la Energía, Septiembre 2016.

[6] L. Sainz, Impact of Harmonics, Septiembre 2016.

[7] Schneider Electric, Guía de diseño de instalaciones eléctricas, 2008.

[8] Datasheet de productos Simon S.A. Fuente: http://www.simon.es/

Memoria

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Figuras

*1+ O. Boix, L. Sainz, F. Córcoles, F. J. Suelves, “Tecnología Eléctrica”, Cano Pina S.L. - Ediciones Ceysa,

Barcelona, Septiembre 2002, ISBN 84-86108-23-3.

[2] L. Sainz, Calidad del suministro e integración de renovables en la red, Apuntes de Master en

Ingeniería de la Energía, Septiembre 2016.

[3] Schneider Electric, Guía de diseño de instalaciones eléctricas, 2008.

[4] Datasheet osciloscopio digital DPO 3034. Fuente: https://www.tek.com/

[5] Sonda de corriente TCP0030. Fuente: https://www.tek.com/

[6] Sonda de corriente HZO50. Fuente: https://www.rohde-schwarz.com/

[7] Partes que constituyen la sonda de tensión pasiva. Fuente: http://www.uco.es/

anÁlisis de anomalÍas elÉctricas en instalaciones con

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